[论文解读] Envisioning the Future of Cyber Security in Post-Quantum Era: A Survey on PQ Standardization, Applications, Challenges and Opportunities

Saleh Darzi, Kasra Ahmadi+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2023

Cryptographic Implementations and Security被引用 7

一句话总结

本文对后量子密码学（PQC）进行了全面综述，分析了NIST标准化及入围的PQC方案，涵盖基于格、基于哈希、基于编码、基于同源性以及多变量密码学等类别。评估了安全性、性能、侧信道抗性及标准化指标，结论指出由于物联网、区块链和机器学习等不同领域间需求相互冲突，应用特定的PQC设计至关重要。

ABSTRACT

The rise of quantum computers exposes vulnerabilities in current public key cryptographic protocols, necessitating the development of secure post-quantum (PQ) schemes. Hence, we conduct a comprehensive study on various PQ approaches, covering the constructional design, structural vulnerabilities, and offer security assessments, implementation evaluations, and a particular focus on side-channel attacks. We analyze global standardization processes, evaluate their metrics in relation to real-world applications, and primarily focus on standardized PQ schemes, selected additional signature competition candidates, and PQ-secure cutting-edge schemes beyond standardization. Finally, we present visions and potential future directions for a seamless transition to the PQ era.

研究动机与目标

• 分析后量子密码学（PQC）标准化的现状，重点关注NIST的选择流程与评估指标。
• 评估标准化及入围PQC方案的安全性、性能及侧信道脆弱性。
• 识别将遗留系统（如智能电网、物联网、区块链）迁移到PQC所面临的挑战与需求。
• 探索在机器学习、区块链及嵌入式系统等领域的应用特定PQC需求。
• 预测面向密码敏捷性与向后量子时代安全迁移的未来研究方向。

提出的方法

• 对NIST PQC入围方案及选定的替代方案进行了系统性分析，评估其数学基础与构造设计。
• 通过硬问题的正式分析（如学习误差问题、基于编码的问题、SIKE）评估安全性，包括对量子攻击的抵抗能力。
• 通过性能基准测试与侧信道防护措施的集成，评估实现效率与侧信道漏洞。
• 将评估指标（如密钥大小、签名大小、运行时间）映射到物联网、区块链及机器学习等实际应用场景的约束条件。
• 提出一种面向应用特定PQC采纳的框架，强调密码敏捷性与早期迁移，以减轻SNDL威胁。
• 探索非传统PQC方法，如Raccoon——一种受Dilithium启发、具备侧信道抗性的基于格的签名方案。

Figure 1. The time required for encapsulation, decapsulation, and key generation for Lattice based schemes on NIST’s $4^{th}$ round KEMs. The figure on the left corresponds to ARM platforms, while the figure on the right pertains to Intel platforms.

实验结果

研究问题

• RQ1 NIST标准化的PQC方案在安全性、性能及侧信道抗性方面存在哪些关键差异？
• RQ2 物联网、区块链及机器学习系统中的应用特定需求（如尺寸、速度、隐私）如何与通用PQC标准产生冲突？
• RQ3 在设计阶段而非实现后补丁的方式中，侧信道抗性能在多大程度上被集成到PQC方案中？
• RQ4 存储现在、稍后解密（SNDL）攻击对长期数据机密性有何影响，以及向PQC迁移的紧迫性如何？
• RQ5 是否存在一种单一标准化的PQC方案可满足所有实际应用场景，还是应用特定PQC开发不可避免？

主要发现

• NIST的标准化流程已选定基于格的方案（如Kyber，密钥封装机制）和Dilithium（签名）作为主要候选方案，因其在安全性和效率之间实现了良好平衡。
• 侧信道攻击仍是PQC实现中的关键威胁，从设计之初就具备侧信道抗性的方案（如Raccoon）相比后期加固的现有方案展现出更高的效率。
• 存储现在、稍后解密（SNDL）攻击对长期数据机密性构成严重风险，即使在大规模量子计算机出现之前，也亟需向PQC迁移。
• 没有单一PQC方案能满足所有应用需求：物联网侧重低成本与低功耗，区块链要求紧凑签名，而机器学习则需要强隐私保护原 primitive。
• 通用PQC的标准化是必要但不充分的；标准化之后，专门的PQC竞赛与应用特定方案很可能会陆续出现。
• 密码敏捷性——即快速迁移到新密码系统的能力——至关重要，应优先考虑，以确保后量子时代系统的长期韧性。

Figure 2. The time required for signing, verifying, and key generation for Lattice based schemes on NIST’s $4^{th}$ round signatures. The figure on the left corresponds to ARM platforms, while the figure on the right pertains to Intel platforms.