Protocolo PHANTOM
Especificación de investigación para un diseño de transporte asincrónico post-cuántico sobre redes onion. El documento actual es una línea base técnica; la evaluación formal sigue incompleta.
Esta especificación describe un protocolo criptográfico en fase de diseño teórico (Línea Base Inmutable SPEC-000). Ha sido modificada para remediar deficiencias estructurales en KCI post-cuántico, colisiones de índices PIR y canales laterales de padding. No debe desplegarse en producción sin verificación formal completa en Tamarin / ProVerif y auditoría de código independiente.
1. Modelo de Adversario y Perímetro de Seguridad
El protocolo no asume resistencia incondicional frente a adversarios a nivel estatal. En su lugar, se define formalmente contra un adversario activo y pasivo con capacidades de control global de red (Dolev-Yao Extendido) bajo cuatro parámetros concretos y un perímetro de seguridad delimitado:
- Control de InfraestructuraControl activo de hasta el 30% de nodos de la red overlay (Tor/Mixnet).
- Análisis EstadísticoClasificadores IAT basados en arquitectura Transformer para tráfico global.
- Captura Indefinida (HNDL)Almacenamiento masivo bajo Harvest-Now-Decrypt-Later para descifrado futuro.
- Capacidad Cuántica (CRQC)Acceso a Computador Cuántico en tiempo polinomial para logaritmo discreto y factorización.
- Integridad de EndpointsSe asume la integridad absoluta de los dispositivos finales sin compromisos de malware a nivel de kernel.
- Canal Out-of-Band (OOB)Se asume la confidencialidad y autenticidad del canal de verificación fuera de banda al momento del emparejamiento.
- Deniabilidad SimétricaToda la deniabilidad del protocolo se delega a la construcción de secretos simétricos efímeros.
2. Stack Criptográfico y Primitivas Híbridas
La capa criptográfica utiliza un diseño híbrido post-cuántico/clásico que combina primitivas basadas en reticulados (ML-KEM-768, FIPS 203; ML-DSA-87, FIPS 204) con primitivas pre-cuánticas de curva elíptica (X25519, RFC 7748). El transporte simétrico utiliza cifrado autenticado ChaCha20-Poly1305 con expansión de clave por separación de dominio vía HKDF-HMAC-SHA3-256.
| Función / Capa | Primitiva Estándar | Estándar Base | Rol en el Protocolo | Nivel de Evidencia |
|---|---|---|---|---|
| KEM Post-Cuántico | ML-KEM-768 | FIPS 203 | Encapsulamiento híbrido y establecimiento de sesión | Nivel 1 (Estándar NIST) |
| KEM Pre-Cuántico | X25519 | RFC 7748 | Seguridad remanente clásica y vinculación elíptica | Nivel 3 (RFC IETF) |
| Firma Digital PQ | ML-DSA-87 | FIPS 204 | Autenticación de Handshake y clave de identidad a largo plazo | Nivel 1 (Estándar NIST) |
| Cifrado Simétrico AEAD | ChaCha20-Poly1305 | RFC 8439 | Protección con datos asociados de las celdas de transporte | Nivel 3 (RFC IETF) |
| Derivación de Clave (KDF) | HKDF-HMAC-SHA3-256 | RFC 5869 / FIPS 202 | Extracción y expansión con estricta separación de dominio | Nivel 3 (RFC IETF) |
3. Handshake v2 y Autenticación Anti-KCI Post-Cuántica
Para mitigar la vulnerabilidad criptográfica de la versión v0.1.0 (donde la falta de autenticación de origen en el KEM post-cuántico permitía ataques de suplantación KCI mediante CRQC), el Handshake v2 impone autenticación de origen activa mediante firmas ML-DSA-87.
PrekeyBundle_B (Bob)Total: 8.437 Bytes
- version (u16)0x0002 (2 B)
- IK_B (X25519 Identidad)32 B
- PQ_IK_B (ML-DSA-87 Pública)2,560 B
- SPK_B (X25519 Efímera)32 B
- SPK_B_sig (Firma ML-DSA-87 sobre SPK_B)4,627 B
- PQ_PK_B (ML-KEM-768 Pública)1,184 B
Flujo operativo de inicialización
- Paso 1 — Generación (Alice):
Genera EK_A y PQ_EK_A, calcula (ct_PQ_B, ss_PQ_B) = Encaps(PQ_PK_B), los valores X25519 dh1, dh2, dh3 y una firma del transcrito. - Paso 2 — Validación y respuesta (Bob):
Bob verifica Sig_A con PQ_IK_A, descapsula ss_PQ_B y produce (ct_PQ_A, ss_PQ_A) = Encaps(PQ_PK_A).
Derivación de clave maestra de sesión (SPEC-000 §3.2)
4. Mecanismo split ratchet
El split ratchet propuesto separa las actualizaciones de la cadena simétrica de los pasos asimétricos post-cuánticos. En este diseño, el intercambio asimétrico ocurre cuando cambia la dirección de la comunicación.
Estructura de estado (RatchetState §4.1)
Transición simétrica unidireccional (§4.2)
En envíos consecutivos sin respuesta, solo avanza la cadena simétrica HKDF; no se especifica una operación asimétrica por mensaje.
5. Red de Almacenamiento Privado y SimplePIR Epochs
Para resolver los problemas de desincronización y colisiones de índices de la versión v0.1.0, la red de almacenamiento abandona los índices en tiempo real sobre matrices dinámicas y adopta una arquitectura de Epochs Congelados Estructurados en el Tiempo.
Mecanismo de Epochs Congelados (§5.1)
La base de datos del relay se congela a intervalos discretos de Δt = 300 segundos. Durante un epoch activo, las solicitudes de escritura (StoreRequest) se almacenan en un búfer temporal indexado por:
Al cierre del epoch, el servidor compila una matriz estática ordenada lexicográficamente por message_id y publica su root hash.
Recuperación Privada con SimplePIR (§5.2)
Al estimar que su mensaje pertenece al Epoch E_n, el receptor descarga el mapa binario de metadatos e identifica la fila exacta.
La consulta SimplePIR se ejecuta sobre una matriz inmutable y estática, garantizando que el cálculo del vector de consulta coincida bit a bit con la estructura del servidor sin sufrir fallos por inserciones concurrentes.
6. Capa de Transporte Avanzado y Padding DP-Adaptativo
Para prevenir la detección de patrones provocada por la fragmentación de payloads grandes, la especificación altera radicalmente los parámetros de celda en la red overlay:
Unidad Máxima de Transmisión (MTU §6.1)
El tamaño fijo de celda se establece inalterablemente en S_cell = 2048 bytes. Todo paquete de control, handshake o mensaje corto se rellena con bytes pseudo-aleatorios (cifrado secuencial de 0x00) hasta alcanzar exactamente 2048 bytes antes de inyectarse en el circuito Loopix Sphinx.
Inyección con Privacidad Diferencial (Laplace Engine §6.2)
El motor evalúa la cola a intervalos estrictos de T_slot = 50 ms. La ventaja del adversario global para determinar si un slot contiene tráfico real o de cobertura está acotada por:
Esta cota es un objetivo de diseño pendiente de análisis público; no se ha demostrado para una implementación.
Si la cola está vacía, se inyecta una celda sintética indistinguible generada vía CSPRNG local.
7. Verificación OOB y prueba de trabajo antiabuso
Verificación fuera de banda (OOB SAS §7)
Tras el handshake, la sesión permanece en STATUS_AWAITING_VERIFICATION. Pasar a STATUS_ACTIVE requiere:
Comparación de un SAS de ocho dígitos y escaneo mutuo de QR ligado al transcrito y las identidades PQ propuestas.
Costo de solicitud con Argon2id (§8)
Como la identidad de IP o circuito no es una clave estable de limitación en servicios onion, el diseño asigna un costo de prueba de trabajo a cada StoreRequest:
Es un mecanismo de costo contra abuso, no una prueba de que se prevenga la denegación de servicio.
1. Ciclo de Vida de Investigación Determinista de 7 Fases
Toda evolución arquitectónica en PHANTOM sigue una metodología estricta de 7 fases. El avance entre fases requiere cumplir criterios de salida explícitos. No se aceptan evaluaciones cualitativas; la validación exige pruebas matemáticas, modelos formales (Tamarin / ProVerif) o simulaciones empíricas reproducibles.
| Fase | Objetivo de Fase | Patrón de Artefacto | Criterio de Salida |
|---|---|---|---|
| Fase 1 | Preguntas de Investigación | RQ-XXX | Formulación de hipótesis de seguridad verificables |
| Fase 2 | Revisión de Literatura y Notas | LR-XXX / LN-XXX | Catalogación contra Jerarquía de Evidencia (Niveles 1–7) |
| Fase 3 | Decisiones Arquitectónicas | ADR-XXX | Análisis obligatorio de evidencia en contra y compensaciones |
| Fase 4 | Modelos de Amenazas | TM-XXX | Delimitación formal de fronteras y alcance del atacante |
| Fase 5 | Especificaciones Técnicas | SPEC-000 (v0.2.0) | Línea Base Inmutable de Evaluación |
| Fase 6 | Pruebas Formales y Experimentos | VER-XXX / EXP-XXX | Modelos en Tamarin / ProVerif y métricas de simulación |
| Fase 7 | Publicaciones y Monografía | PUB-XXX | Artículos de investigación revisados por pares |
2. Jerarquía de Evidencia Criptográfica (Niveles 1–7)
Cada primitiva, parámetro y afirmación teórica debe estar vinculada explícitamente a una fuente catalogada según los estándares de gobernanza del proyecto:
| Nivel | Categoría de Fuente | Ejemplos y Estándares Incluidos |
|---|---|---|
| Nivel 1 | Estándares Internacionales / Estatales | ISO, IEC, IEEE, FIPS 203 (ML-KEM), FIPS 204 (ML-DSA) |
| Nivel 2 | Publicaciones Especiales de Referencia | NIST SP 800 Series, IETF Standards Track RFCs |
| Nivel 3 | Estándares Consolidados de Internet | RFCs Activos (RFC 7748, RFC 8439, RFC 5869) |
| Nivel 4 | Borradores Técnicos Activos | IETF Internet-Drafts |
| Nivel 5 | Research literature and preprints | IACR ePrint (preprints without peer review); peer-reviewed publications indexed by IEEE Xplore, ACM DL, USENIX and NDSS. |
| Nivel 6 | Código y Documentación Oficial | Documentación de proyecto, repositorios y ejecutables verificados |
| Nivel 7 | Literatura Gris Verificable | Informes de auditorías independientes, whitepapers industriales |
3. Primacía del Operador Humano y Reglas de Auditoría
Autoría Humana y Regla de Verificación Manual (GOVERNANCE §3)
Las tareas críticas de investigación—incluyendo lectura de literatura primaria, formulación de RQs, identificación de fallas criptográficas y redacción de especificaciones—son dirigidas y ejecutadas directamente por el operador humano (Eduardo Camarillo [Noir0x63]).
Regla de Verificación Manual: Ninguna afirmación, fórmula o decisión arquitectónica sugerida o asistida por herramientas de IA se acepta en la línea base sin verificación manual directa contra fuentes primarias (Niveles 1–7).
Análisis de Evidencia en Contra y Auditoría Retrospectiva (§4–§5)
Análisis de Evidencia en Contra: Cada Registro de Decisión Arquitectónica (ADR) exige investigar activamente ataques teóricos publicados, penalizaciones de latencia/CPU/RAM/ancho de banda y puntos de falla en casos límite.
Auditoría Retrospectiva: Si una auditoría detecta una ruptura en la cadena trazable PUB → SPEC → TM → ADR → LR → LN → Fuente Primaria, el componente afectado es invalidado de inmediato y revertido.