美国NIST公布首批后量子密码标准算法

导读

随着量子计算技术的发展，相关运算操作在理论上实现从指数级向多项式级别的转变，量子计算机有望攻破现有的公钥密码体制。为应对出现的新型威胁，后量子密码（PQC）应运而生，旨在研究密码算法在量子环境下的安全性。

美国为维护国家安全，进一步抢占量子领域全球领导地位，早先于2017年开始推动PQC算法标准化研究。2022年7月5日，美国国家标准与技术研究院（NIST）宣布CRYSTALS-KYBER、FALCON、CRYSTALS-Dilithium等4个项目提前入选其PQC项目标准化算法结果，并宣布BIKE、Classic McEliece等4个候选算法进入下一轮算法筛选。这一里程碑事件标志着NIST PQC标准化工作经过6年的发展即将进入最后阶段。

01背景

（一）量子计算给现有密码体制带来的威胁与日俱增

近年来量子计算取得多项重大突破，IBM、谷歌、微软公司等多家科技巨头公布量子计算发展路线图，密集推出革命性量子硬件、软件，种种迹象表明量子计算正逐步迈入规模化应用阶段。在百万比特级加密量子计算机的冲击下，现有公钥密码体制（如RSA、ECC及DH密钥交换技术）都将被完全破解，对称密码算法（如AES、SHA1、SHA2等）的安全性将被显著降低。网络攻击者可利用量子计算机轻松打破世界上任一数字防御系统、破解公钥密码系统，进而对国家安全造成严重威胁。

（二）美国政府积极引导传统密码体制向后量子密码过渡

为应对量子计算发展给国家安全带来的威胁，美国政府密集出台一系列应对量子技术风险相关政策法案（如表1），进一步加快PQC技术布局，推动PQC技术遴选和标准化工作。相关法案指出联邦政府现有的信息系统需要向PQC技术迁移，政府和产业界需要优先开发可以容易升级到PQC的应用、硬件和软件。

表1.美国PQC迁移相关政策

为此，美国国家网络安全卓越中心（NCCoE）于2021年8月正式启动PQC迁移项目，邀请各部门、企业撰写PQC迁移意向书，描述产品和技术性内容，从而为PQC迁移项目提供安全平台支持和演示；7月5日当天，美国网络安全和基础设施安全局（CISA）宣布建立PQC计划，将向后量子加密过渡确定为网络安全愿景的优先事项。

（三）借力学术、产业界开展后量子密码研发及应用测试

美国《国家战略计算倡议战略计划》强调通过“整体型政府与工业界、学术界共同建立高性能计算系统的跨机构战略远景和投资”。美国政府积极联合学术界、产业界开展PQC技术和产品研发，积极进行多场景抗量子密码应用测试，推出相关商业服务和升级产品等。例如，2022年7月，后量子安全公司QuSecure宣布产品QuProtectTM基于Kyber标准算法建立量子安全通道，实现100%正常运行时间保护美国政府空域的加密通信和数据；2022年4月，韩国移动运营商LG Uplus推出了世界上首个后量子密码专线服务，可以实现对量子计算网络攻击的有效防御；2021年8月，德国慕尼黑工业大学研究人员设计生产了一种基于RISC-V技术的PQC芯片，旨在展示其阻止黑客使用量子计算机解密通信的能力。

02美国后量子密码标准进展

2016年12月，NIST正式面向全球征集具备抗击量子计算机攻击能力的新一代PQC算法，以期逐渐取代以经典RSA为代表的不可抗量子计算机攻击的公钥加密算法，并最终成为标准化加密算法。PQC算法评估工作分为三轮进行，每轮18个月左右，预计2024年前完成。

PQC标准化算法筛选只选择了无状态数字签名、非对称加密和密钥封装机制（KEMs）两种密码体制，并将算法安全性、效率和性能、其他因素（如知识产权要求、实施难度）作为评估标准因素。

（一）PQC标准化项目进程

1.第一轮筛选结果

2017年12月，NIST公布PQC标准协议的第一轮预选结果，期间共收到82个基础方案，筛选收录63个完整方案，其中包括44个非对称加密和KEMs方案及19个数字签名方案。

表2.NIST第一轮标准方案情况表

2.第二轮筛选结果

2019年1月，NIST公布PQC标准协议的第二轮预选结果，共计26个算法进入下一轮进程，其中包括17个非对称加密和KEMs方案（BIKE、Classic McEliece、CRYSTALS-KYBER、FrodoKEM、HQC、LAC、LEDAcrypt、NewHope、NTRU、NTRU Prime、NTS-KEM、ROLLO、Round5、RQC、SABER、SIKE、Three Bears）及9个数字签名方案（CRYSTALS-DILITHIUM、FALCON、GeMSS、LUOV、MQDSS、Picnic、qTESLA、Rainbow、SPHINCS+）。

表3.NIST第二轮标准方案情况表

3.第三轮筛选结果

2021年1月，NIST公布的第三轮审查共有7个算法入围，其中包括4种非对称加密和KEMs（Classic McEliece、CRYSTALS-KYBER、NTRU、SABER）及3种数字签名算法（CRYSTALS-DILITHIUM、FALCON、Rainbow）。此外，NIST还保留了8个备选算法，包括5种备选公钥加密和密钥生成算法（BIKE、FrodoKEM、HQC、NTRU Prime、SIKE）和3种数字签名算法（GeMSS、Picnic、SPHINCS+）。

表4.NIST第三轮标准方案情况表

4.标准化算法结果

2022年7月5日，NIST公布提前选中并将进行标准化的算法，其中包括用于非对称加密和KEMs的CRYSTALS-KYBER、用于数字签名的CRYSTALS-Dilithium、FALCON及SPHINCS+。其中，NIST推荐CRYSTALS-Kyber算法用于保护通过公共网络交换信息的通用加密，推荐其余三种算法用于身份认证。以上四种算法均在2024年之前支持NIST未来的加密标准。

此外，NIST推荐将BIKE、Classic McEliece、HQC、SIKE算法进入第四轮筛选进程。

（二）标准化算法情况

1.非对称加密和密钥封装机制（KEMs）

CRYSTALS-Kyber是基于格理论的PQC算法，其安全性基于假定的硬件模块的容错性学习 (MLWE) 问题。在保障安全性的同时兼具加密密钥相对较小、交换数据量小、运行速度快的特点。同时，Kyber的硬件、软件及混合设置、抗侧信道攻击等性能在同类型算法中位于前列，专利障碍问题较少，在未来具有较大的使用前景。

2.数字签名

Crystals-Dilithium是基于格理论的数字签名方案，其安全性依赖于MLWE和模块短整数的强度解决问题 (MSIS) 并遵循Fiat-Shamir与中止技术。该算法在密钥和签名大小方面具有强大而平衡的性能，并且密钥生成、签名和验证算法的效率在实际验证中表现良好。

Falcon是一种利用“散列和符号”范式的基于格的签名方案，其安全性依赖于短整数解（SIS）问题在NTRU格算法上的难度，以及随机预言机模型 (ROM) 和QROM 中的安全证明递减。该算法提供了最小的带宽，提供非常好的整体性能。

Sphincs+是一种基于散列的无状态签名方案，其安全性依赖于关于底层散列函数安全性的假设。该算法提供了可靠的安全保证，但会导致性能上的巨大成本。NIST 将该算法视为极其保守的选择，同时也是标准化算法中的唯一哈希算法，成为其余格密码受威胁背景下的备选方案。

表5.NIST标准化算法数字签名方案比较表

03影　响

（一）格密码将成为后量子密码中的主流路线

PQC算法中，格密码算法可在安全性、公私钥大小、计算速度方面达到较好的平衡。同时在相同安全强度下，格密码的公私钥大小比其他三种（编程密码、多变量密码、哈希密码）方案更小，计算速度更快且更适用于多应用场景。在NIST公布的4种标准化算法中就包含3个格密码，足见其巨大潜力。美国家安全局网络安全局（NSA CSD）指出，基于格的加密方案进行参数化可保证安全，该密码方案是当前最高效的后量子算法。该机构预计，基于NIST筛选的格密码算法将被批准用于国家安全系统（NSS）。

（二）短期内将开发和使用混合密钥协议

目前，NIST选定的PQC标准化算法只包括了公钥加密和数字签名两种常用的密码算法，但这些算法已趋于成熟，优化改进余地较小。短期内，PQC算法要与传统安全密码技术结合形成一种“混搭”模式以适用当前的安全需求。亚马逊AWS公司首席安全官指出，混合密钥交换方案在实际应用中具有广泛的前景，其中ECDHE+Kyber混合方案的性能最佳。

（三）标准化后量子算法已开启商用化应用

新型密码体系的成熟离不开企业界的长期测试研究与商业应用。西方多家科技巨头既是PQC算法的设计者，又是应用落地的催化者。当前，PQC标准算法已然开启商业化应用，部分企业将PQC标准算法集成至公司产品中，进一步提升其安全性能。例如Cloudflare公司将CRYSTALS-Kyber与其他PQ算法集成到其加密数据库CIRCL；Crypto Quantique公司推出CRYSTALS-Kyber算法的后量子物联网安全平台。

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