设计一个抗量子计算攻击的混合加密系统

题目

设计一个抗量子计算攻击的混合加密系统

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐⭐

考点

后量子密码学,混合加密设计,密钥交换协议,性能优化

快速回答

设计要点：

• 使用NTRU/Kyber作为抗量子密钥封装机制
• 结合AES-GCM/ChaCha20-Poly1305进行对称加密
• 实现双重密钥封装：PQ密钥 + 传统ECDH密钥
• 添加前向安全机制防范密钥泄露
• 性能优化：PQ密钥仅用于会话初始化

1. 设计原理

混合加密系统需同时抵御经典计算机和量子计算机攻击：

• 抗量子部分：使用基于格的密码学（如Kyber/NTRU）抵抗Shor算法
• 传统部分：保留ECDH/AES应对当前威胁
• 双重保护：攻击者需同时破解两种密码体系才能获取明文

2. 协议流程

# 伪代码示例
def hybrid_encrypt(sender, receiver, plaintext):
    # 生成临时密钥对
    pq_kem_key = generate_pq_keypair()  # 如Kyber-768
    ecdh_key = generate_ecdh_key()      # 如P-384

    # 双重密钥封装
    pq_cipher, pq_secret = pq_kem_key.encapsulate(receiver.pq_pk)
    ecdh_secret = ecdh_key.exchange(receiver.ec_pk)

    # 组合主密钥
    master_key = KDF(pq_secret + ecdh_secret, length=32)

    # 对称加密
    ciphertext = AES_GCM_encrypt(
        key=master_key, 
        plaintext=plaintext,
        associated_data=pq_cipher + ecdh_key.public_bytes()
    )

    return pq_cipher, ecdh_key.public_bytes(), ciphertext

3. 关键组件

4. 最佳实践

• 前向安全：每次会话生成临时密钥对（Ephemeral keys）
• 密钥分离：使用不同KDF分支派生加密和认证密钥
• 性能优化：
  • PQ操作仅限握手阶段
  • 对称加密使用硬件加速（AES-NI）
• 降级攻击防护：强制PQ算法支持，拒绝纯传统加密

5. 常见错误

• ❌ 简单并行使用两种算法（未组合密钥）
• ❌ 重用PQ密钥对（丧失前向安全性）
• ❌ 忽略KDF的上下文绑定（导致密钥混淆）
• ❌ 使用未标准化的PQ算法（如自制实现）

6. 扩展知识

• NIST PQ标准化：CRYSTALS-Kyber/McEliece已入选第4轮
• 性能对比：
  • Kyber-768：公钥1.2KB，加解密约100K ops/s
  • RSA-2048：公钥0.3KB，加解密约10K ops/s
• 迁移路径：TLS 1.3可通过扩展添加PQ密钥交换