Praktikum 4 - Post-Quantum krüptograafia praktikas¶

Mida me teeme¶

Selles praktikumis saad käed külge post-quantum krüptograafiale. Loome PQC võtmeid ja sertifikaate, testime hübriidset TLS-i ja võrdleme klassikaliste algoritmidega.

Vajad: Docker (soovitatud) või Linux süsteem kompileerimiseks.

Osa 1: Keskkonna ettevalmistamine¶

PQC algoritmid pole veel tavalises OpenSSL-is. Kasutame Open Quantum Safe (OQS) projekti.

Docker (soovitatud)Natiivne installatsioon

Bash

mkdir -p ~/pqc-labor
cd ~/pqc-labor
docker pull openquantumsafe/oqs-ossl3
docker run -it --rm -v $(pwd):/labor -w /labor openquantumsafe/oqs-ossl3 bash

Nüüd oled konteineris, kus on PQC-toega OpenSSL.

Bash

sudo apt update
sudo apt install -y build-essential cmake ninja-build libssl-dev git

# liboqs
cd ~ && git clone https://github.com/open-quantum-safe/liboqs.git
cd liboqs && mkdir build && cd build
cmake -GNinja .. && ninja && sudo ninja install

# oqs-provider
cd ~ && git clone https://github.com/open-quantum-safe/oqs-provider.git
cd oqs-provider && mkdir build && cd build
cmake -GNinja .. && ninja && sudo ninja install

Kontrolli¶

Bash

openssl list -signature-algorithms | grep -i mldsa
openssl list -kem-algorithms | grep -i mlkem

Peaksid nägema algoritme nagu mldsa65, mlkem768 - need on NIST-i standardiseeritud PQC algoritmid.

Osa 2: Võtmete võrdlemine¶

Loome erinevaid võtmeid ja võrdleme suurusi.

Samm 1: Klassikalised võtmed¶

Bash

# RSA
openssl genrsa -out rsa.key 2048

# ECDSA
openssl ecparam -genkey -name prime256v1 -out ecdsa.key

Samm 2: PQC võti¶

Bash

openssl genpkey -algorithm mldsa65 -out mldsa.key

Samm 3: Võrdle suurusi¶

Bash

echo "=== Võtmefailide suurused ==="
wc -c rsa.key ecdsa.key mldsa.key

ML-DSA võti on märgatavalt suurem - see on PQC kompromiss. Turvalisus kvantarvutite vastu tuleb suurema andmemahu hinnaga.

Osa 3: PQC sertifikaadi loomine¶

Samm 1: Ise-allkirjastatud PQC sertifikaat¶

Bash

openssl req -x509 -new -key mldsa.key \
    -out mldsa.crt -days 365 \
    -subj "/CN=pqc-test.local/O=PQC Labor/C=EE"

Samm 2: Vaata tulemust¶

Bash

openssl x509 -in mldsa.crt -text -noout | head -30

Otsi ridu Public Key Algorithm: mldsa65 ja Signature Algorithm: mldsa65.

Samm 3: Võrdle sertifikaatide suurusi¶

Bash

# Loo RSA ja ECDSA sertifikaadid võrdluseks
openssl req -x509 -newkey rsa:2048 -nodes \
    -keyout rsa_temp.key -out rsa.crt \
    -days 365 -subj "/CN=rsa-test.local"

openssl req -x509 -newkey ec -pkeyopt ec_paramgen_curve:prime256v1 -nodes \
    -keyout ecdsa_temp.key -out ecdsa.crt \
    -days 365 -subj "/CN=ecdsa-test.local"

echo "=== Sertifikaatide suurused ==="
wc -c rsa.crt ecdsa.crt mldsa.crt

Osa 4: PQC sertifitseerimisasutus¶

Loome PQC-põhise CA ja kasutame seda serveri sertifikaadi allkirjastamiseks.

Samm 1: CA loomine¶

Bash

openssl genpkey -algorithm mldsa65 -out pqc_ca.key

openssl req -x509 -new -key pqc_ca.key \
    -out pqc_ca.crt -days 3650 \
    -subj "/CN=PQC Labor CA/O=Labor/C=EE"

Samm 2: Serveri võti ja CSR¶

Bash

openssl genpkey -algorithm mldsa65 -out pqc_server.key

openssl req -new -key pqc_server.key \
    -out pqc_server.csr \
    -subj "/CN=server.pqc.local/O=Labor/C=EE"

Samm 3: CA allkirjastab¶

Bash

openssl x509 -req -in pqc_server.csr \
    -CA pqc_ca.crt -CAkey pqc_ca.key -CAcreateserial \
    -out pqc_server.crt -days 365

Samm 4: Kontrolli ahelat¶

Bash

openssl verify -CAfile pqc_ca.crt pqc_server.crt

pqc_server.crt: OK - sertifikaadiahel töötab.

Osa 5: Jõudluse võrdlemine¶

Võtme genereerimine (10 korda)¶

Bash

echo -n "RSA-2048:   "; time (for i in {1..10}; do openssl genrsa 2048 2>/dev/null > /dev/null; done)
echo -n "ECDSA P-256: "; time (for i in {1..10}; do openssl ecparam -genkey -name prime256v1 2>/dev/null > /dev/null; done)
echo -n "ML-DSA-65:   "; time (for i in {1..10}; do openssl genpkey -algorithm mldsa65 2>/dev/null > /dev/null; done)

Allkirjastamine (100 korda)¶

Bash

echo "test data" > testfail.txt

echo -n "RSA-2048:    "; time (for i in {1..100}; do openssl dgst -sha256 -sign rsa.key testfail.txt > /dev/null 2>&1; done)
echo -n "ECDSA P-256: "; time (for i in {1..100}; do openssl dgst -sha256 -sign ecdsa.key testfail.txt > /dev/null 2>&1; done)
echo -n "ML-DSA-65:   "; time (for i in {1..100}; do openssl pkeyutl -sign -inkey mldsa.key -in testfail.txt > /dev/null 2>&1; done)

Üldised mustrid: RSA võtme genereerimine aeglane, allkirjastamine kiire. ECDSA mõlemas kiire. ML-DSA võtme genereerimisel kiire, allkirja suurus suurem.

Osa 6: Hübriidne TLS¶

Üleminekuperioodil kasutatakse klassikaline + PQC koos. Kui üks osutub nõrgaks, kaitseb teine.

Samm 1: Käivita server (terminal 1)¶

Bash

openssl s_server -accept 4433 \
    -cert pqc_server.crt -key pqc_server.key \
    -groups x25519_mlkem768 \
    -www

Samm 2: Ühenda (terminal 2)¶

Bash

openssl s_client -connect localhost:4433 \
    -CAfile pqc_ca.crt \
    -groups x25519_mlkem768

Otsi väljundist Server Temp Key. X25519MLKEM768 tähendab, et toimib hübriidne võtmevahetus - klassikaline X25519 ja post-quantum ML-KEM-768 koos.

Osa 7: Allkirja suuruste võrdlus¶

Bash

echo "test" > test.txt

openssl dgst -sha256 -sign rsa.key -out rsa.sig test.txt
openssl dgst -sha256 -sign ecdsa.key -out ecdsa.sig test.txt
openssl pkeyutl -sign -inkey mldsa.key -in test.txt -out mldsa.sig

echo "RSA-2048:    $(wc -c < rsa.sig) baiti"
echo "ECDSA P-256: $(wc -c < ecdsa.sig) baiti"
echo "ML-DSA-65:   $(wc -c < mldsa.sig) baiti"

Oodatavad tulemused: RSA ~256B, ECDSA ~70B, ML-DSA ~3300B. ML-DSA allkiri on ~50x suurem kui ECDSA!

Osa 8: NIST algoritmide ülevaade¶

Algoritm	NIST nimi	Tüüp	Kasutus
Kyber	ML-KEM	Võtmevahetus	TLS, VPN
Dilithium	ML-DSA	Allkiri	Sertifikaadid, koodi allkirjastamine
SPHINCS+	SLH-DSA	Allkiri	Pikaajalised allkirjad
FALCON	FN-DSA	Allkiri	Piiratud ressursiga seadmed

Turvatasemed: -512/-44 = AES-128, -768/-65 = AES-192, -1024/-87 = AES-256.

Osa 9: Puhastamine¶

Bash

# Kui kasutasid Dockerit
exit

# Kustuta failid
cd ~/pqc-labor
rm -f *.key *.crt *.csr *.sig *.txt *.srl

Kokkuvõte¶

Peamised õppetunnid:

PQC töötab - need pole enam eksperimentaalsed algoritmid
Suurused on suuremad - võtmed, sertifikaadid, allkirjad
Hübriidne on tark - klassikaline + PQC annab parima kaitse
Brauserid juba toetavad - Chrome ja Firefox kasutavad hübriidset võtmevahetust vaikimisi