密码学正确答案:后量子版

主要观点:

  • 介绍了“crypto right answers”博客文章,旨在为工程师提供选择最佳加密方案的指南,随着后量子密码学(PQC)的发展,需要更新加密建议。
  • 阐述了推荐 PQC 的挑战,如与传统密码学不同、有更多权衡、部分系统被证明不可行等,因此将文章拆分,提供更多解释。
  • 解释了为何现在需要关注 PQC,量子计算机可能在未来 20 年内对当前加密算法构成威胁,各国政府已开始推动迁移到抗量子密码系统,NIST 也在开展相关竞赛和标准化工作。
  • 介绍了量子计算机与传统计算机的区别,量子计算机基于量子比特,能同时编码 0 和 1,实现并行处理,虽存在非理想问题,但仍具有强大计算能力。
  • 提及量子算法,如 Shor 算法和 Grover 算法,分别对经典密码学的公钥和对称密码学构成威胁,NIST 竞赛已带来一些新的后量子算法。
  • 详细介绍了后量子算法,包括 Dilithium、Falcon、SPHINCS+和 Kyber 等,以及它们的特点和应用场景,同时指出 PQ 算法的产物较大,需要处理迁移问题,如丢失 Diffie-Hellman 特性等。
  • 介绍了混合加密方案,包括混合签名协议和混合密钥交换协议,展示了它们的工作原理和安全性。
  • 提供了关于迁移到 PQC 的建议,包括识别依赖公钥密码学的地方、考虑设备性能和带宽等因素,以及不同加密领域的具体建议,如加密数据、对称密钥长度、哈希算法等。
  • 列举了一些实际应用 PQC 的例子,如 OpenSSH、Chrome、Firefox Nightly 等。
  • 总结了 PQC 的正确答案,包括加密数据、对称密钥长度、哈希算法、对称“签名”、随机 ID、密码处理、密钥交换、不对称签名、不对称加密、网站安全、客户端 - 服务器应用安全和在线备份等方面的建议。

关键信息:

  • 量子计算机可能在 20 年内对当前加密算法构成威胁,各国政府已开始推动迁移到抗量子密码系统。
  • PQC 与传统密码学不同,有更多权衡和挑战,需要更复杂的讨论和推荐。
  • 后量子算法包括 Dilithium、Falcon、SPHINCS+和 Kyber 等,各有特点和应用场景。
  • 混合加密方案结合了传统和后量子加密技术,提高了安全性。
  • 迁移到 PQC 需要考虑设备性能、带宽等因素,不同加密领域有不同的建议。

重要细节:

  • NIST 标准化了 Kyber 为 ML-KEM、Dilithium 为 ML-DSA 和 SPHINCS+为 SLH-DSA。
  • 混合签名协议结合了椭圆曲线签名和后量子签名,混合密钥交换协议结合了椭圆曲线加密和后量子加密。
  • 不同后量子算法在密钥大小、签名大小等方面有所不同,如 ML-DSA-44 的密钥大小为 2528 位,签名大小为 2420 位。
  • 一些应用已经开始使用 PQC 混合协议,如 OpenSSH、Chrome 等。
  • 在密码处理方面,推荐使用 argon2id、scrypt 等,避免使用普通密码哈希函数。
  • 在密钥交换方面,推荐使用 X25519+ML-KEM-768 或 P256+ML-KEM-768,避免使用纯 ML-KEM 实现。
  • 在不对称签名方面,推荐使用 Ed25519+ML-DSA-65 或 P256+ML-DSA-65,避免使用纯 ML-DSA 实现。
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