2024-06-28-西电广研院-后量子密码迁移白皮书（2024）_103页_1mb

后量子密码迁移白皮书总结

核心内容

后量子密码（PQC）迁移是应对量子计算对传统密码体系构成威胁的重要举措。随着量子计算技术的飞速发展，传统基于数论难题的公钥密码算法面临根本性安全风险。本报告详细分析了传统密码技术图景、量子计算对密码的威胁、后量子密码技术路线及标准化进程，同时探讨了后量子密码迁移计划及面临的挑战，提出了发展建议。

主要观点

• 传统密码面临威胁：对称密码和公钥密码均可能受到量子计算的攻击，其中对公钥密码的威胁更为本质。
• 后量子密码技术路线：主要包括基于格、基于编码、基于多变量、基于哈希函数和基于曲线同源的算法。
• 标准化进程：NIST、欧盟、ISO、ETSI、IETF等机构均在推进后量子密码算法的标准化工作，中国学者在NIST-PQC中也发挥了重要作用。
• 迁移计划：后量子密码迁移是一个系统性工程，涉及算法替换、系统更新、兼容性评估、风险评估等多个方面。
• 面临的挑战：包括现有系统中量子脆弱性发现困难、后量子算法安全实现和热迁移难度大。

关键信息

1. 传统密码技术图景

• 对称密码：如AES、ZUC、SM4等，用于数据加密和完整性校验，其安全性依赖于密钥长度。
• 非对称密码：如RSA、ECC、SM2等，用于密钥交换、身份认证、数字签名等，基于数学难题构建。
• 杂凑算法：如SHA、SM3等，用于数据完整性校验和数字签名。

2. 量子计算对传统密码的威胁

• 对称密码：Grover和Simon算法对对称密码构成威胁，但增加密钥长度仍可有效抵抗。
• 公钥密码：Shor算法可破解RSA、ECC等算法，对公钥密码构成根本性威胁。
• SNDL攻击：攻击者可存储当前无法破解的密文，待量子计算机成熟后解密，威胁尤为严重。

3. 后量子密码技术路线

• 基于格的密码：如Kyber、Dilithium、Falcon、Rainbow等，具有较小的密钥尺寸和较高的性能。
• 基于编码的密码：如Classic McEliece，安全性高，但密钥尺寸较大。
• 基于多变量的密码：如Rainbow，签名速度较快，但密钥尺寸较大。
• 基于哈希函数的密码：如XMSS、SPHINCS+，具有较高的理论安全性，但签名体积大。
• 基于曲线同源的密码：如SIKE，安全性高，但计算效率较低。

4. 后量子密码迁移路线图

• 建立迁移路线图：明确迁移步骤和时间节点，指导系统平稳过渡。
• 准备后量子密码库存：包括算法、协议、组件等，确保迁移过程中有可用资源。
• 进行量子脆弱性态势感知：包括代码、操作系统、网络流量等多个层面。
• 实施迁移：包括安全实现、与现有系统的集成、性能评测和部署推广。

5. 面临的挑战

• 挑战一：量子脆弱性发现与风险评估：现有系统复杂，难以发现量子脆弱点，风险评估模型滞后。
• 挑战二：后量子算法安全实现与热迁移：部分算法与旧系统不兼容，性能开销大，热迁移难度高。

6. 后量子密码迁移发展建议

• 加快标准体系建设：推动国内后量子密码标准制定，形成统一的算法共识。
• 加强脆弱性发现与评估：建立完善的量子脆弱性发现机制，评估不同场景下的风险。
• 培育迁移生态：推动产学研用结合，构建后量子密码迁移的生态体系。

技术工具与案例

4.1 量子脆弱性发现的工作流及架构

• 代码开发：通过IDE插件或CI/CD流水线中的静态分析工具发现易受攻击的密码算法。
• 操作系统：通过扫描文件系统和部署传感器，识别密钥库、证书等非可执行文件中的量子脆弱性。
• 网络流量：通过捕获并分析网络数据包，检测TLS和SSH等协议中的量子脆弱性。

4.2 密码态势感知工具及案例

• 国外工具：IBM、三星、ISG等公司提供了多种密码态势感知工具，用于发现和评估脆弱密码。
• 国内工具：包括信安世纪、纽创信安、数盾科技等公司开发的工具，用于检测和管理密码使用情况。
• 具体案例：展示了在Windows开发环境中进行量子脆弱性发现的流程，包括代码、操作系统和网络流量三方面的检测。

4.3 风险评估方法

• 莫斯卡定理：强调在量子计算机可用之前完成迁移，以避免SNDL攻击。
• 密码敏捷性风险评估框架 (CARAF)：关注密码灵活性，以实现快速、低成本的迁移。

总结

后量子密码迁移是一个复杂且系统化的工程，涉及技术研究、标准制定、系统评估和部署等多个方面。各国在推进后量子密码迁移的过程中，均面临技术实现、系统兼容性和迁移优先级等挑战。本报告提供了迁移路线图、风险评估方法及具体实施案例，为后量子密码迁移提供了全面指导。同时，提出了加快标准体系建设、加强脆弱性发现与评估、培育迁移生态等发展建议，以确保后量子密码技术能够顺利应用于各行各业。