Hybrid post-quantum cryptography in network protocols

Abstract

A segurança de redes é essencial para as comunicações do dia-a-dia. Protocolos como o Transport Layer Security (TLS) e o Automatic Certificate Management Environment (ACME) permitem comunicações seguras para várias aplicações. O TLS fornece canais seguros com autenticação de pares comunicantes, desde que estes pares já possuam um certificado digital para comprovar sua identidade. Já o protocolo ACME contribui com a adoção de TLS com funcionalidades para envio e gerenciamento de certificados digitais. Tanto o TLS quanto o ACME dependem da Criptografia de Chaves Públicas para autenticação e troca de chaves (Key Exchange - KEX). No entanto, o advento do Computador Quântico Criptograficamente Relevante (CQCR) enfraquece os protocolos de KEX e certificados digitais criados com a criptografia clássica usada atualmente, tais como RSA e Diffie-Hellman. Dada a grande adoção do TLS e ACME, esta ameaça alcança uma escala global. Neste contexto, trata-se de tese dos desafios da adoção da Criptografia Pós-Quântica (CPQ) no TLS e ACME, focando-se na abordagem recomendada chamada de CPQ híbrido (ou modo híbrido). A CPQ é criada usando suposições matemáticas diferentes das em uso atualmente. Essas suposições são viáveis ??para construção de esquemas criptográficos resistentes ao computador quântico, pois não se conhece algoritmo (clássico ou quântico) eficiente. Porém, a transição para CPQ é assunto complexo. No modo híbrido, a transição para CPQ é suavizada, pois ela é combinada com a criptografia tradicional. Assim, esta tese defende uma estratégia de adoção de CPQ pelo modo híbrido com as seguintes contribuições: um estudo secundário classificando e mostrando a eficiência e segurança do modo híbrido; uma ferramenta para verificar as garantias quantum-safe em conexões TLS de usuários; um estudo e uma otimização para a emissão de certificados digitais com CPQ no ACME; o projeto e implementação de uma abordagem híbrida para uma alternativa de TLS chamada KEMTLS; e um conceito híbrido inovador, com implementação, para autenticação usando certificados embrulhados. Na maioria dos cenários de avaliações com modo híbrido propostos neste trabalho, as previsões de desempenho não são significativas quando comparadas com a implantação de CPQ sem o modo híbrido. O conceito inovador da autenticação híbrida também habilitou um plano de contingência para o modo híbrido, contribuindo com a adoção do CPQ. Por meio das propostas e avaliações em diferentes cenários, abordagens e protocolos, esta tese soma esforços em direção ao uso de CPQ híbrido para mitigar os efeitos preocupantes da ameaça quântica à criptografia.

Abstract: Network security is essential for today?s communications. Protocols such as Transport Layer Security (TLS) and Automatic Certificate Management Environment (ACME) enable secure communications for various applications. TLS provides secure channels with peer authentication, given that the peer already has a digital certificate to prove its identity. ACME contributes to TLS adoption with facilities for issuing and managing digital certificates. Both protocols depend on Public-Key Cryptography for authentication and Key Exchange (KEX) of symmetric key material. However, the advent of a Cryptographically Relevant Quantum Computer (CRQC) weakens KEX and digital certificates built with today?s classical cryptography (like RSA and Diffie-Hellman). Given the widespread adoption of TLS and ACME, such a threat reaches a global scale. In this context, this thesis aims at the challenges of adopting Post- Quantum Cryptography (PQC) in TLS and ACME, focusing on the recommended approach called Hybrid PQC (or hybrid mode). PQC is created using different mathematical assumptions in which there is no known efficient solution by classical and quantum computers. Hybrids ease the PQC transition by combining it with classical cryptography. This thesis defends the hybrid mode adoption by the following contributions: a secondary study classifying and showing hybrid mode efficiency and security; a tool for users checking their TLS connections for quantum-safe guarantees; a study and an optimized approach for issuance of PQC digital certificates in ACME; a design and implementation of a hybrid approach for the TLS alternative called KEMTLS; and a novel hybrid concept (and implementation) for authentication using wrapped digital certificates. In all proposed hybrid mode evaluations, the penalty in performance was non-significant when compared to PQC-only deployment, except in certain situations. The novel concept for hybrid authentication also allows a contingency plan for hybrids, contributing to the PQC adoption. By proposing and evaluating different scenarios, approaches and protocols, this thesis sums efforts towards using hybrid PQC to mitigate the worrisome effects of the quantum threat to cryptography.