Post-quantum cryptographic adaptations for legacy systems: methodologies for blockchain redactability and tls protocol evolution

Abstract

Esta tese de doutorado se propõe a atacar o problema da dificuldade de migração de tecnologias cllássicas para pós-quânticas, e para isso se desenvolve em duas linhas de pesquisa complementares. A primeira contribuição apresenta um framework teórico e implementação prática para construção de blockchains redatáveis pós-quânticos utilizando mecanismos especializados de encadeamento baseados em funções hash camaleão com propriedades de pré-imagem. Esta abordagem permite mutabilidade controlada enquanto mantém a integridade criptográfica, solucionando limitações-chave em frameworks blockchain existentes. A segunda contribuição aborda os desafios da transição do protocolo Transport Layer Security (TLS) 1.3 para segurança pós-quântica sem interromper a infraestrutura existente. Ao integrar estrategicamente criptografia baseada em identidade (IBE) com criptografia clássica, propomos um mecanismo hí- brido que facilita trocas de chaves pós-quânticas preservando compatibilidade com as cadeias de certificados e mecanismos de autenticação atuais. Avaliações experimentais rigorosas conduzidas em diversos ambientes de rede demonstram a viabilidade e características de desempenho de ambas as propostas: nossa blockchain redatável mostrou-se mais rápida que outras alternativas e a proposta para TLS obteve desempenho competitivo em relação a outros algoritmos em testes de alta largura de banda e baixa latência. As metodologias apresentadas foram implementadas como soluções de código aberto para incentivar pesquisas futuras e adoção prática no campo da criptografia pós-quântica.

Abstract: This doctoral thesis aims to address the challenge of migrating from classical to post-quantum technologies through two complementary research directions. The first contribution introduces a theoretical framework and practical implementation for constructing post-quantum redactable blockchains utilizing specialized chaining mechanisms based on chameleon hash functions with preimage properties. This approach enables controlled mutability while maintaining cryptographic integrity, addressing key limitations in existing blockchain frameworks. The second contribution addresses the challenges of transitioning the Transport Layer Security (TLS) 1.3 protocol to post-quantum security without disrupting existing infrastructure. By strategically integrating identity-based encryption (IBE) with classical cryptography, we propose a hybrid mechanism that facilitates post-quantum key exchanges while preserving compatibility with current certificate chains and authentication mechanisms. Rigorous experimental evaluations conducted across various network environments demonstrate the viability and performance characteristics of both proposals: our redactable blockchain proved to be faster than other alternatives, and the proposed solution for TLS achieved competitive performance compared to other algorithms in high-bandwidth, low-latency tests.. The methodologies presented herein have been implemented as open-source solutions to encourage further research and practical adoption in the field of post-quantum cryptography.