Post-Quanten Kryptografie. Chancen und Risiken in der IT-Sicherheit. Stefan Schubert Institut für IT-Sicherheitsforschung
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- Kilian Kohl
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1 Post-Quanten Kryptografie Chancen und Risiken in der IT-Sicherheit Stefan Schubert Institut für IT-Sicherheitsforschung
2 5. Semester IT-Security Stefan Schubert Research Assistant Institut für IT-Security Research Projektmitarbeit KIF seit einem Jahr
3 Gliederung PK Kryptografie Quantencomputer Problemstellung und Lösung 03 Projekt und Ausblick 04
4 PK-Kryptografie
5 PK Kryptografie Schlüsselaustauschproblem Symmetrische Kryptografie braucht selben Schlüssel. Diesen Schlüssel geheim zu tauschen war sehr schwer.. Jahrelange Suche nach Algorithmen. DH - Schlüsselaustausch 1976 Erster Public- Key Algorithmus von Diffie- Hellman welcher auch nach ihnen bekannt wurde. Schlüsselaustausch Verfahren. Häufigste Anwendungen Schlüsselaustausch und Signaturen RSA-Verschlüsselung Erster Verschlüsselungsalgorithmus RSA (Rivest Shamir Adelman) im Jahr 1977 (schon vorher entdeckt von einem NSA Mitarbeiter, durfte aber nicht veröffentlicht werden)
6 PK Kryptografie PK sehr wichtig Das Internet wäre nicht in der heutigen Form möglich, PK-Krypto wird überall eingesetzt, von Banküberweisungen bis Chipkarten. Primitiven Public-Key Kryptografie basiert auf mathematischen Falltür- Funktionen die in einer Richtung leicht zu rechnen sind, in die andere aber sehr schwer Wichtig für Schlüssel an sich Kein Schlüsselaustausch mehr notwendig, bzw. Sicher Schlüsselaustausch wird dadurch möglich Nachteile Für Verschlüsselung sehr langsam, deswegen oft Hybrid-Systeme. (ECDH-AES256 )
7 Quantencomputer
8 Quantencomputer - Entwicklung Erfinder Schnelle Steigerung faktorisiert Erste Faktorisierung Zahl 15 faktorisiert Erster Algorithmus Shor beschreibt Algorithmus zur schnellen Faktorisierung von Primzahlen Erfunden in den frühen 80er Jahren von Benioff, Manin, Feynman und Deutsch
9 Vorteile Viele Probleme die zuvor sehr schwierig waren können schnell gelöst werden Quanten-Suche Kann Objekte in einem unsortierten Array schneller finden als ein klassischer Computer O(n) -> O( n) Quantencomputer Nachteile Derzeit weiß niemand ob es wirklich je einen riesigen Quantencomputer geben wird der die oben genannten Vorteile auch ausnutzen kann. Falls dies jedoch geschieht werden damit auch einige Felder der Kryptografie nutzlos gemacht -> PK- Kryptografie Quantensimulation Sehr wichtig in den Naturwissenschaften zb. Modellierung von Molekül-Systemen oder Darstellung von Quarks
10 Berechnung klassischer Computer
11 Berechnung Quantencomputer
12 Problemstellung und Lösung
13 Problemstellung Ganz genau kennt man die kritischen Werte nicht Symmetrische Funktionen müssen auch verbessert werden Neue Art der Mathematik Experimentieren mit Simulatoren Asymmetrische Primitiven betreffen alle gängigen Verfahren (ECDH, EDSA, DSA, RSA ) PK- Kryptografie nutzlos Shors Algorithmus m = # bits Shors Algorithmus RSA -> 4m³time und 2m Qbits ECC Attacke-> 360m³ und 6m Qbits (Proos-Zaika 2004, Roettler-Naehrig- Svare-Lauter 2017)
14 Lösungsansätze Physikalische zb. Quantenkryptographie und Funkkanaldaten Mathematische: Codebasierte Kryptografie Gitterbasierte Kryptografie Hashbasierte Kryptografie PQ- Kryptograf ie Multivariate Kryptografie Supersinguläre isogene elliptische Kurven Kryptografie
15 Projekt und Ausblick
16 Supersinguläre isogene elliptische Kurven Berechnet Beziehungen zwischen bestimmten elliptischen Kurven -> dadurch höhere Komplexität (Expander Graph)
17 Supersingular isogeny Diffie Hellman (SIDH)
18 Supersingular isogeny Diffie Hellman (SIDH)
19 Supersingular isogeny Diffie Hellman (SIDH)
20 Supersingular isogeny Diffie Hellman (SIDH)
21 Supersingular isogeny Diffie Hellman (SIDH)
22 Supersingular isogeny Diffie Hellman (SIDH)
23 Vorteile isogene Kryptosysteme Schlüssellänge Diese Art von Kryptografie hat sehr kurze Schlüssel (Vgl. ECDH und andere PQ-Algorithmen). 04 Flexibel Alle kryptografischen Anforderungen werden erfüllt: Vertraulichkeit (Verschlüsselung), Integrität (Hash), Authentizität (Signatur) Blockchain Speicherprobleme auch zb. in Blockchain- Systemen (Blockchain zu groß und kann nicht mehr dezentral gespeichert werden). Auch hier sind kleine Schlüsselgrößen wichtig. 05 Weniger Speicherintensiv Speziell wichtig in Umgebungen wo vielleicht genug Rechenkraft da ist aber nicht genug Speicher wie bei Embedded- Systems, Smart Cards und Java-Cards. Nachteile Geschwindigkeit da höherer Rechenaufwand, Signaturen kaum erforscht
24 Verbesserungen Bis 2017 sehr langsam und keine statischen Schlüssel möglich -> Mit Einführung von SIKE (NIST-Kandidat) kein Problem mehr
25 Signal Protokoll Heute Morgen 01 ECDH SIDH 02 AES256 AES HMAC + SHA256 HMAC + SHA3
26 Projekt KIF Evaluierung Mathematik SIDH (Schlüsselaustausch mit Isogenie) wurde evaluiert und der Stand der Technik mittels zweier Arbeiten genau dargestellt. Evaluierung Programmierung C und Assembler-Algorithmus mit effizienter mathematischer Implementierung über die Microsoft-Library Prototypen Erste Implementierungen von Teilen des Algorithmus in Java, mit Geschwindigkeits und Speicheroptimierung für den Einsatz in Hardware Token, Smart Cards etc. Effizienzsteigerung Verschiedene Verfahren werden eingesetzt um den Algorithmus noch weiter zu optimieren
27 Optimierungsbeispiel
28 Ausblick Volle Implementierung Fertigstellung eines effizienten Authentifizierungsalgorithmus mit Supersingulären-Elliptischen Kurven. Fortschritte weiter verfolgen Weitere Evaluierung und Implementierung der bis dahin erreichten Forschungsergebnisse Testreihen Vollständige Testreihen auf verschiedenen Geräten für Vergleiche Blockchain Implementierung in eine sichere Blockchain
29 Schlusswort Sicherheitstechnologie braucht zu lange um sich durchzusetzen! Beispiel DES Eingeführt 1977 Gebrochen 1998 Weiter in Verwendung Solche Dinge sollten nicht mehr passieren!
30 Thank you!
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