Protocolo PHANTOM
Private, Highly Anonymous, Non-Interactive Transport with Obfuscated Metadata. Post-quantum asynchronous transport protocol over Tor Hidden Services. Formal security research employing a 7-phase methodology — currently in Phase 1 (Research Questions).
Private, Highly Anonymous, Non-Interactive Transport with Obfuscated Metadata. Protocolo de transporte asíncrono post-cuántico sobre Tor Hidden Services. Investigación de seguridad formal bajo metodología de 7 fases — actualmente en Fase 1 (Preguntas de Investigación).
The research repository and technical specifications are currently undergoing initial consolidation within a private environment. Source code, Tamarin models, and complete specifications will be made publicly available upon formal baseline stabilization.
El repositorio de investigación y sus especificaciones técnicas se encuentran en fase inicial de consolidación en un entorno privado. El código fuente, modelos en Tamarin y especificaciones completas se harán públicos una vez alcanzada la estabilización de la línea base.
1. Adversary Model & Security Assumptions 1. Modelo de Adversario y Suposiciones de Seguridad
The PHANTOM Protocol replaces generic, idealized security assumptions with a strict, concrete threat parameterization. Rather than postulating theoretical "unconditional state-level anonymity," the protocol models an adversary possessing active network interception, control over up to 30% of overlay mixnet nodes (Tor Hidden Services / Loopix circuits), and continuous traffic capture capabilities under the Harvest-Now-Decrypt-Later (HNDL) paradigm. El Protocolo PHANTOM reemplaza las suposiciones de seguridad genéricas e idealizadas con una parametrización de amenaza concreta y estricta. En lugar de postular una "anonimización teórica incondicional", el protocolo modela a un adversario con capacidad de intercepción de red activa, control de hasta el 30% de los nodos de superposición (Tor Hidden Services / circuitos Loopix) y captura continua de tráfico bajo el paradigma Harvest-Now-Decrypt-Later (HNDL).
2. Cryptographic Stack & Hybrid Primitives 2. Stack Criptográfico y Primitivas Híbridas
To survive post-quantum transition windows, PHANTOM enforces a dual-layered, hybrid cryptographic architecture. Key encapsulation combines post-quantum lattice constructions (ML-KEM-768, FIPS 203) with established elliptic curve operations (X25519, RFC 7748). Long-term identities and initial handshake assertions rely on post-quantum lattice signatures (ML-DSA-87, FIPS 204), while symmetric payload transport leverages authenticated encryption via ChaCha20-Poly1305 (RFC 8439) with domain-separated key expansion executed through HKDF-HMAC-SHA3-256. Para garantizar la supervivencia durante la ventana de transición post-cuántica, PHANTOM implementa una arquitectura criptográfica híbrida de doble capa. El encapsulamiento de claves combina construcciones de reticulados post-cuánticos (ML-KEM-768, FIPS 203) con operaciones de curvas elípticas consolidadas (X25519, RFC 7748). Las identidades a largo plazo y las afirmaciones del handshake inicial se basan en firmas post-cuánticas (ML-DSA-87, FIPS 204), mientras que el transporte simétrico emplea cifrado autenticado mediante ChaCha20-Poly1305 (RFC 8439) con expansión de clave por separación de dominio vía HKDF-HMAC-SHA3-256.
| Layer / Function | Primitive Instantiation | Standard | Evidence Level |
|---|---|---|---|
| PQ Key Encapsulation | ML-KEM-768 | FIPS 203 | Level 1 (NIST Standard) |
| Classic Remnant KEM | X25519 | RFC 7748 | Level 3 (IETF RFC) |
| Post-Quantum Signatures | ML-DSA-87 | FIPS 204 | Level 1 (NIST Standard) |
| Symmetric Transport | ChaCha20-Poly1305 | RFC 8439 | Level 3 (IETF RFC) |
| Domain-Separated KDF | HKDF-HMAC-SHA3-256 | RFC 5869 / FIPS 202 | Level 3 (IETF RFC) |
3. Handshake v2 & Key Compromise Impersonation Defense 3. Handshake v2 y Defensa Contra Suplantación (KCI)
The initial session setup resolves a critical flaw present in preliminary specifications (v0.1.0): the absence of active post-quantum origin authentication. In Handshake v2, Alice acquires Bob's PrekeyBundle_B (totalling 8,437 bytes) containing his static identity keys (IK_B: 32 B, PQ_IK_B: 2560 B), ephemeral parameters (SPK_B: 32 B, PQ_PK_B: 1184 B), and signature (SPK_B_sig: 4627 B). Alice derives three classical Diffie-Hellman exchanges (dh1 = X25519(IK_A, SPK_B), dh2 = X25519(EK_A, IK_B), dh3 = X25519(EK_A, SPK_B)) alongside a post-quantum encapsulation (ct_PQ_B, ss_PQ_B = ML-KEM-768.Encaps(PQ_PK_B)), asserting her identity via an ML-DSA-87 signature (Sig_A = ML-DSA-87.Sign(PQ_IK_A, IK_A || EK_A || ct_PQ_B || PQ_PK_A)).
El establecimiento de sesión inicial resuelve una vulnerabilidad crítica presente en especificaciones preliminares (v0.1.0): la falta de autenticación de origen post-cuántica activa. En el Handshake v2, Alice obtiene el PrekeyBundle_B de Bob (con un total de 8,437 bytes) que contiene sus claves de identidad estáticas (IK_B: 32 B, PQ_IK_B: 2560 B), parámetros efímeros (SPK_B: 32 B, PQ_PK_B: 1184 B) y firma (SPK_B_sig: 4627 B). Alice deriva tres intercambios Diffie-Hellman clásicos (dh1 = X25519(IK_A, SPK_B), dh2 = X25519(EK_A, IK_B), dh3 = X25519(EK_A, SPK_B)) junto con un encapsulamiento post-cuántico (ct_PQ_B, ss_PQ_B = ML-KEM-768.Encaps(PQ_PK_B)), afirmando su identidad mediante una firma ML-DSA-87 (Sig_A = ML-DSA-87.Sign(PQ_IK_A, IK_A || EK_A || ct_PQ_B || PQ_PK_A)).
// MASTER SECRET DERIVATION PIPELINE (SPEC-000 §3.2)
4. The Split Ratchet Mechanism 4. El Mecanismo del Split Ratchet
Executing post-quantum asymmetric key generation for every discrete message introduces unbearable bandwidth and latency amplification. To eliminate this penalty, PHANTOM introduces a turn-based Split Ratchet. State retention (RatchetState) includes root_key, sending_chain_key, receiving_chain_key, dh_my_ephemeral, pq_my_ephemeral, and skipped message key maps. During continuous unidirectional transmission streams, the protocol relies exclusively on symmetric HKDF chain advances—reducing packet overhead to zero bytes.
Ejecutar la generación de claves asimétricas post-cuánticas para cada mensaje discreto introduce una amplificación de ancho de banda y latencia inaceptable. Para eliminar esta penalización, PHANTOM introduce un Split Ratchet basado en turnos. La retención de estado (RatchetState) incluye root_key, sending_chain_key, receiving_chain_key, dh_my_ephemeral, pq_my_ephemeral y mapas de claves omitidas. Durante la transmisión unidireccional continua de flujos, el protocolo depende exclusivamente de avances de cadena simétricos HKDF—reduciendo el overhead por paquete a cero bytes.
// SYMMETRIC TRANSITION LOGIC (SPEC-000 §4.2)
5. Private Storage Network & Transport Layer 5. Red de Almacenamiento Privado y Capa de Transporte
To decouple sender and recipient online presence, messages are deposited on an untrusted relay network governed by Time-Structured Frozen Epochs (Δt = 300 s). Write requests (StoreRequest) are indexed via message_id = BLAKE3(session_id || sequence_number). At epoch boundaries, the server compiles a static lexicographically sorted matrix. Recipients query frozen matrices using Private Information Retrieval (SimplePIR). At the network layer, all payloads are morphed into uniform cell sizes (S_cell = 2048 bytes) and injected via a Laplace Differential Privacy engine (T_slot = 50 ms, ε ≤ 1.0, δ = 2-32).
Para desacoplar la presencia en línea del remitente y destinatario, los mensajes se depositan en una red de relays no confiable gobernada por Epochs Congelados Estructurados en el Tiempo (Δt = 300 s). Las solicitudes de escritura (StoreRequest) se indexan vía message_id = BLAKE3(session_id || sequence_number). Al límite del epoch, el servidor compila una matriz estática ordenada lexicográficamente. Los destinatarios consultan las matrices congeladas mediante Recuperación de Información Privada (SimplePIR). En la capa de red, todos los payloads se transforman en celdas de tamaño uniforme (S_cell = 2048 bytes) e inyectan mediante un motor de Privacidad Diferencial de Laplace (T_slot = 50 ms, ε ≤ 1.0, δ = 2-32).
// 7. OOB SAS VERIFICATION
Session state locked at STATUS_AWAITING_VERIFICATION until 8-digit SAS and QR signature match.
// 8. ARGON2ID ANTI-SYBIL POW
Memory-hard proof of work required per StoreRequest header to protect PIR matrix buffer.
Research Questions & Evidence Levels Preguntas de Investigación y Niveles de Evidencia
Cross-validated matrix against SPEC-000 v0.2.0. Formal evaluation uses evidence hierarchy L1–L5 and verification targets V1–V4. Matriz de validación cruzada contra SPEC-000 v0.2.0. La evaluación formal usa jerarquía de evidencia L1–L5 y objetivos V1–V4.
| ID | Research Focus | Validity | Evidence Base | Verification Target |
|---|---|---|---|---|
| RQ-001 | PQ Handshake KCI & Deniability | Partially Valid | L1, L2, L5 | Tamarin Model (V4) |
| RQ-002 | SimplePIR Hint Overhead & Epochs | Conditionally Valid | L5 | Simulation Benchmark (V3) |
| RQ-003 | Continuous Differential Privacy (ε, δ) | Valid as Problem | L5 | Analytical Composition (V2) |
| RQ-004 | OOB State Machine & Deadlock Freedom | Valid w/o Reservation | L5 | Tamarin Model (V4) |
| RQ-005 | DoS Memory Exhaustion Vector in Argon2id | Valid w/o Reservation | L3, L5, L2 | Benchmarking (V2/V3) |
| RQ-006 | Split Ratchet Post-Compromise Security | Valid w/o Reservation | L5, L2 | Formal Analysis (V2) |
| RQ-007 | 8-Digit SAS Entropy & MitM Bounds | Conditionally Valid | L5, L3 | Probability Proof (V2) |
| RQ-008 | Multimodal Deep Packet Inspection (DPI) | Pending Validation | L2, L5 | LLMix Benchmark (V3) |
Key Research Findings & Flaws Hallazgos Clave de Investigación y Fallos
FINDING-001 // CRITICAL SPECIFICATION FLAW HALLAZGO-001 // FALLO CRÍTICO DE ESPECIFICACIÓN
SPK_B is omitted from Alice's ML-DSA-87 signature transcript in Handshake v2. An active adversary intercepting PrekeyBundle_B can substitute SPK_B with a controlled ephemeral key SPK_B' without invalidating Alice's identity signature, enabling impersonation under active Dolev-Yao conditions. SPK_B está omitido del transcript de firma ML-DSA-87 de Alice en el Handshake v2. Un adversario activo interceptando PrekeyBundle_B puede sustituir SPK_B con una clave efímera controlada SPK_B' sin invalidar la firma de identidad de Alice, permitiendo la suplantación bajo condiciones Dolev-Yao activas.
Sig_A = ML-DSA-87.Sign(PQ_IK_A, IK_A || EK_A || ct_PQ_B || SPK_B || PQ_PK_A)
FINDING-003 // RELAY DENIAL OF SERVICE VULNERABILITY HALLAZGO-003 // VULNERABILIDAD DOS EN RELAY
Argon2id uses a symmetric memory requirement (m = 64 MB per StoreRequest). At a workload of 1,000 requests/second, the Relay node must allocate 64 GB RAM/s to verify proofs of work, enabling trivial memory exhaustion denial-of-service. Replacement with asymmetric PoW (Equihash / Tor Prop 327) is required. Argon2id requiere memoria simétrica (m = 64 MB por StoreRequest). A una carga de 1,000 req/s, el nodo Relay debe asignar 64 GB RAM/s para verificar pruebas de trabajo, lo que permite un agotamiento de memoria trivial. Se requiere el reemplazo con PoW asimétrico (Equihash / Tor Prop 327).
7-Phase Lifecycle Progress Progreso del Ciclo de 7 Fases
| Phase | Phase Target | Artifact Count | Status |
|---|---|---|---|
| Phase 1 | Research Questions (RQs) | 8 Files | Active / Complete |
| Phase 2 | Literature Reviews (LR / LN) | 10 Files | Pending Verification |
| Phase 3 | Architectural Decision Records (ADRs) | 0 Files | Blocked on Phase 2 |
| Phase 4 | Threat Models (TM) | 0 Files | Blocked on Phase 3 |
| Phase 5 | Technical Specifications (SPEC) | 1 File (SPEC-000) | Frozen Baseline v0.2.0 |
| Phase 6 | Formal Proofs & Empirical Experiments | 0 Files | Blocked on Phase 5 |
| Phase 7 | Publications & Monograph | 1 Draft (PUB-000) | Roadmap Draft Only |