BlockSignPQC

BlockSignPQC é um benchmark modular e extensível para a avaliação comparativa de algoritmos de assinatura digital pós-quântica (PQC) em ambientes blockchain.
Ele permite medições diretas de desempenho criptográfico e simulações realistas de redes blockchain por meio da integração com o simulador BlockSim.

Objetivos

Comparar algoritmos clássicos (e.g. ECDSA) e pós-quânticos (e.g. Dilithium, Falcon, SPHINCS+).
Integrar novos algoritmos de forma contínua e modular.
Simular o impacto sistêmico dos algoritmos em redes blockchain.

Estrutura da Ferramenta

A ferramenta é dividida em três módulos principais:

sign_python: Executa os algoritmos e mede tempo de assinatura, verificação e geração de chaves.
blocksim: Simula redes blockchain usando os tempos coletados.
visualization: Gera gráficos a partir dos dados dos dois módulos anteriores.

Diretórios e Arquivos

BlockSignPQC/
├── algorithms/           # Implementações dos algoritmos PQC (com ALGORITHMS e time_evaluation)
├── BlockSim/             # Código-fonte do simulador de blockchain (BlockSim)
├── resultados-artigo/    # Resultados completos utilizados no artigo
├── results/              # Resultados de execução em CSV e gráficos (não versionado)
├── visualization/        # Geração de gráficos a partir das execuções
├── venv/                 # Ambiente virtual Python (não versionado)
├── graph.py              # Script auxiliar de geração de gráficos
├── install.sh            # Script de instalação principal
├── LICENSE/              # Licença
├── main.py               # Script principal que orquestra todas as etapas
├── README.md             # Este arquivo de documentação
├── requirements.txt      # Dependências Python necessárias
├── run_experiment.sh     # Executa todos os experimentos descritos no artigo
├── save.py               # Funções de salvamento de resultados
├── sign_python.py        # Módulo de benchmark de algoritmos de assinatura
├── simulator.py          # Interface e execução do BlockSim com os dados obtidos
├── utils.py              # Funções utilitárias auxiliares

Pré-requisitos

Instalando Pré-requisitos:

Clone este repositório.

git clone https://github.com/SBSeg25/BlockSignPQC.git
cd BlockSignPQC

Conceda permissão de execução ao script de instalação usando o comando.

chmod +x install.sh

Execute o comando abaixo para instalar os pré-requisitos.

./install.sh

Recomenda-se utilizar a mesma versão do liboqs e do liboqs-python. Por padrão, estamos utilizando a versão 0.12.0, definida nas variáveis no início do arquivo install.sh.

Ambiente virtual

Antes de executar o BlockSignPQC, é preciso ativar o ambiente virtual.

Ativar o ambiente virtual.

source venv/bin/activate

Desativar o ambiente virtual.

deactivate

Lista de Parâmetros

Descrição dos argumentos do BlockSignPQC.

Parâmetro	Descrição
`--sign`	Lista de algoritmos de assinatura digital a serem avaliados. Suporta múltiplos valores, incluindo algoritmos clássicos (e.g. ECDSA) e pós-quânticos (e.g.* Dilithium, Falcon, SPHINCS+).
`--runs`	Número de execuções de cada algoritmo para coleta de métricas.
`--warm-up`	Número de execuções de aquecimento (warm-up) antes da medição principal, para estabilização de desempenho.
`--levels`	Define os níveis de segurança do NIST (1 a 5) dos algoritmos a serem testados. Pode receber múltiplos valores.
`--runs-simulator`	Número de execuções da simulação no BlockSim.
`--list-sign`	Exibe todos os algoritmos de assinatura disponíveis na ferramenta.
`--help`	Exibe a mensagem de ajuda com a descrição de todos os argumentos disponíveis e instruções de uso da ferramenta.

Execução

Consulte os argumentos disponíveis utilizando a opção --help.

python main.py --help

usage: main.py [-h]
               [--sign {sphincs-sha-f,mldsa,cross-rsdpg-balanced,cross-rsdp-fast,ecdsa,cross-rsdpg-fast,sphincs-sha-s,falcon,falcon-padded,cross-rsdp-balanced,mayo,sphincs-shake-f,cross-rsdp-small,cross-rsdpg-small,dilithium,sphincs-shake-s} [{sphincs-sha-f,mldsa,cross-rsdpg-balanced,cross-rsdp-fast,ecdsa,cross-rsdpg-fast,sphincs-sha-s,falcon,falcon-padded,cross-rsdp-balanced,mayo,sphincs-shake-f,cross-rsdp-small,cross-rsdpg-small,dilithium,sphincs-shake-s} ...]]
               [--levels {1,2,3,4,5} [{1,2,3,4,5} ...]] [--runs RUNS] [--warm-up WARM_UP] [--list-sign] [--runs-simulator RUNS_SIMULATOR]

BlockSignPQC

options:
  -h, --help            show this help message and exit
  --sign {sphincs-sha-f,mldsa,cross-rsdpg-balanced,cross-rsdp-fast,ecdsa,cross-rsdpg-fast,sphincs-sha-s,falcon,falcon-padded,cross-rsdp-balanced,mayo,sphincs-shake-f,cross-rsdp-small,cross-rsdpg-small,dilithium,sphincs-shake-s} [{sphincs-sha-f,mldsa,cross-rsdpg-balanced,cross-rsdp-fast,ecdsa,cross-rsdpg-fast,sphincs-sha-s,falcon,falcon-padded,cross-rsdp-balanced,mayo,sphincs-shake-f,cross-rsdp-small,cross-rsdpg-small,dilithium,sphincs-shake-s} ...]
                        Input list of digital signature algorithms (default: None)
  --levels {1,2,3,4,5} [{1,2,3,4,5} ...], -l {1,2,3,4,5} [{1,2,3,4,5} ...]
                        Nist levels (default: range(1, 6))
  --runs RUNS, -r RUNS  Number of executions (default: 1)
  --warm-up WARM_UP, -wp WARM_UP
                        Number of executions warm up (default: 0)
  --list-sign           List of variants digital signature algorithms (default: False)
  --runs-simulator RUNS_SIMULATOR
                        Number of simulator runs (default: 0)

Lista de Algoritmo e suas Variantes

O comando abaixo exibe todos os algoritmos de assinatura digital disponíveis na ferramenta, tanto clássicos quanto pós-quânticos:

python main.py --list-sign

Também é possível limitar a exibição às variantes de níveis específicos de segurança (NIST levels):

python main.py --list-sign --levels <nist_levels>

Exemplo:

python main.py --list-sign --levels 1 3 5

Execução dos Algoritmos

Use o comando abaixo para executar os testes de desempenho (sign, verify) dos algoritmos desejados, especificando:

python main.py --sign <algorithms> --runs <n> --warm-up <n> --levels <nist_levels>

Exemplo

python main.py --sign ecdsa mldsa falcon sphincs-sha-s sphincs-shake-f --runs 5 --warm-up 5 --levels 3 5

Simulação no BlockSim

Use o argumento --runs-simulator para informar quantas vezes cada variante será executada no simulador.

python main.py --sign ecdsa mldsa falcon sphincs-sha-s sphincs-shake-f --runs 5 --warm-up 5 --levels 1 3 5 --runs-simulator 5

Adicionando Novos Algoritmos

Para adicionar um novo algoritmo, crie um arquivo .py dentro de algorithms/ com a estrutura abaixo:

import pandas as pd

ALGORITHMS = {
    # Os níveis (1 a 5) podem ser definidos conforme a disponibilidade do algoritmo.
    # Não é obrigatório preencher todos os níveis.
    "algorithm_name": {
        <level_1>: "variant_name",
        <level_2>: "variant_name",
        <level_3>: "variant_name",
        <level_4>: "variant_name",
        <level_5>: "variant_name",
    }, ...
}

def time_evaluation(variant: str, runs: int):
    # Implementação do benchmark
    return pd.DataFrame({
        'variant': [variant] * runs,
        'sign': time_sign,
        'verify': time_verify
    })

Reprodução dos Experimentos Descritos no Artigo

Esta seção apresenta o passo a passo para a reprodução dos experimentos descritos no artigo submetido ao SBSeg 2025.
Os experimentos são automatizados e organizados para permitir validação independente das principais reivindicações experimentais.

Os resultados completos utilizados no artigo estão disponíveis no diretório: resultados-artigo

Ambiente de Execução

Os experimentos foram realizados em duas configurações de hardware:

Máquina M1
- AMD Ryzen 7 5800X
- Ubuntu 22.04.5 LTS
- 64 GB RAM
Máquina M2
- Intel(R) Core(TM) i7-9700
- Debian GNU/Linux 12
- 16 GB RAM

Instalação e Preparação

Clone o repositório:

git clone https://github.com/SBSeg25/BlockSignPQC.git
cd BlockSignPQC

Dê permissão de execução ao script:

chmod +x install.sh

Instale os pré-requisitos:

./install.sh

Ative o ambiente virtual:

source venv/bin/activate

Reivindicação 1 - Comparação de Desempenho entre os Algoritmos

Objetivo: Avaliar os tempos de assinatura e verificação de diferentes algoritmos, considerando os níveis de segurança NIST 1, 3 e 5.

Comando:

python main.py --sign \
    ecdsa \
    mldsa \
    sphincs-sha-s \
    sphincs-sha-f \
    sphincs-shake-s \
    sphincs-shake-f \
    falcon \
    mayo \
    cross-rsdp-small \
    cross-rsdpg-small \
    cross-rsdp-balanced \
    cross-rsdpg-balanced \
    cross-rsdp-fast \
    cross-rsdpg-fast \
    --runs 10000 \
    --warm-up 1000 \
    --levels 1 3 5

Configuração:

Flags utilizadas: --sign, --runs, --warm-up, --levels.
Tempo estimado de execução: entre 5 a 7 horas, conforme máquinas M1 e M2.
Resultados gerados: arquivos CSV e gráficos no diretório ./results/.

Reivindicação 2 - Avaliação do Impacto dos Algoritmos na Simulação Blockchain (BlockSim):

Objetivo: Simular o impacto dos algoritmos nos tempos de verificação de blocos em uma rede blockchain, utilizando o simulador BlockSim, considerando os níveis de segurança NIST 1, 3 e 5.

Comando:

python main.py --sign \
    ecdsa \
    mldsa \
    sphincs-sha-s \
    sphincs-sha-f \
    sphincs-shake-s \
    sphincs-shake-f \
    falcon \
    mayo \
    cross-rsdp-small \
    cross-rsdpg-small \
    cross-rsdp-balanced \
    cross-rsdpg-balanced \
    cross-rsdp-fast \
    cross-rsdpg-fast \
    --runs 10000 \
    --warm-up 1000 \
    --levels 1 3 5 \
    --runs-simulator 1000

Configuração:

Flags utilizadas: --runs-simulator, além das anteriores.
Tempo estimado de execução: entre 10 a 12 horas, conforme máquinas M1 e M2.
Resultados gerados: arquivos CSV e gráficos no diretório ./results.

Publicação

Esta ferramenta foi submetida ao SBSeg 2025, como parte do artigo:

BlockSignPQC: um benchmark para avaliação de algoritmos de assinatura digital pós-quântica em blockchains.

Licença

Este projeto é distribuído sob a licença MIT. Consulte o arquivo LICENSE para mais detalhes.

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