量子计算对密码学的挑战#

/**
 * 后量子密码算法示例（使用 PQCrypto 库）
 */

// CRYSTALS-Kyber 密钥封装
public class KyberExample {
    
    /**
     * 生成 Kyber 密钥对
     */
    public static KeyPair generateKyberKeyPair() {
        // Kyber 提供三种安全级别：
        // - Kyber512（相当于 AES-128）
        // - Kyber768（相当于 AES-192）
        // - Kyber1024（相当于 AES-256）
        
        // 使用 Kyber768
        byte[] publicKey = new byte[1184];
        byte[] privateKey = new byte[2400];
        
        KyberKeyGen.generate(publicKey, privateKey);
        
        return new KeyPair(publicKey, privateKey);
    }
    
    /**
     * Kyber 密钥封装
     */
    public static byte[] encapsulate(byte[] publicKey) {
        byte[] sharedSecret = new byte[32];
        byte[] ciphertext = new byte[1088];
        
        KyberEncaps.encapsulate(ciphertext, sharedSecret, publicKey);
        
        // ciphertext 用于传输
        // sharedSecret 作为共享密钥
        return ciphertext;
    }
    
    /**
     * Kyber 密钥解封装
     */
    public static byte[] decapsulate(byte[] ciphertext, byte[] privateKey) {
        byte[] sharedSecret = new byte[32];
        
        KyberEncaps.decapsulate(sharedSecret, ciphertext, privateKey);
        
        return sharedSecret;
    }
}

// CRYSTALS-Dilithium 签名
public class DilithiumExample {
    
    /**
     * 生成 Dilithium 签名密钥对
     */
    public static KeyPair generateDilithiumKeyPair() {
        // Dilithium 提供三种安全级别：
        // - Dilithium2
        // - Dilithium3
        // - Dilithium5
        
        byte[] publicKey = new byte[1312];
        byte[] privateKey = new byte[4000];
        
        DilithiumKeyGen.generate(publicKey, privateKey);
        
        return new KeyPair(publicKey, privateKey);
    }
    
    /**
     * Dilithium 签名
     */
    public static byte[] sign(byte[] message, byte[] privateKey) {
        byte[] signature = new byte[2420];
        
        DilithiumSign.sign(signature, message, privateKey);
        
        return signature;
    }
    
    /**
     * Dilithium 验签
     */
    public static boolean verify(byte[] message, byte[] signature, byte[] publicKey) {
        return DilithiumSign.verify(signature, message, publicKey);
    }
}

/**
 * Dilithium 签名流程
 */
public class DilithiumSigning {
    
    /**
     * Dilithium 签名（简化版）
     */
    public static byte[] sign(byte[] message, byte[] privateKey) {
        
        // 1. 从私钥提取 A, s1, s2, t
        // A: 公共矩阵 (k × l)
        // s1, s2: 私钥中的短向量
        // t: 公钥向量
        
        // 2. 采样随机向量 y
        // y1: l 维随机向量
        // y2: k 维随机向量
        
        // 3. 计算 w = Ay（仅高比特位）
        // w = Ay mod q
        
        // 4. 计算哈希 c = H(seed || w_h)
        // w_h: w 的高比特位
        
        // 5. 计算 z = y + c * s1
        // s1: 私钥中的短向量
        
        // 6. 检查 ||z|| 是否有界
        // 如果无界，返回步骤 2
        
        // 7. 计算 c * t - y2 并检查低比特位
        // r1: 低比特位
        // r2: 高比特位 - c * t2
        
        // 8. 输出签名 (z, c, r1)
        
        return null; // 简化示例
    }
    
    /**
     * Dilithium 验证
     */
    public static boolean verify(byte[] message, byte[] signature, byte[] publicKey) {
        
        // 1. 从签名提取 (z, c, r1)
        
        // 2. 检查 ||z|| 有界
        
        // 3. 计算 w' = Ay - c * t + c * r2
        // 其中 r2 从 r1 计算
        
        // 4. 计算 c' = H(seed || w'_h)
        
        // 5. 比较 c == c'
        
        return false;
    }
}

@Service
@Slf4j
public class HybridCryptographyMigration {
    
    /**
     * 混合加密模式（推荐迁移策略）
     */
    public static class HybridEncryption {
        
        /**
         * 混合加密：同时使用传统算法和 PQC 算法
         */
        public static EncryptedData hybridEncrypt(
                byte[] plaintext,
                PublicKey traditionalKey,
                PublicKey pqKey) throws Exception {
            
            // 1. 生成随机对称密钥 DEK
            byte[] dek = generateRandomKey(32);
            
            // 2. 用对称密钥加密数据
            byte[] ciphertext = encryptWithAes(plaintext, dek);
            
            // 3. 用传统非对称密钥加密 DEK
            byte[] encryptedDekTraditional = encryptWithTraditional(dek, traditionalKey);
            
            // 4. 用 PQC 密钥加密 DEK
            byte[] encryptedDekPqc = encapsulateWithKyber(dek, pqKey);
            
            // 5. 返回组合结果
            return new EncryptedData(
                ciphertext,
                encryptedDekTraditional,
                encryptedDekPqc
            );
        }
        
        /**
         * 混合解密（任一算法成功即可）
         */
        public static byte[] hybridDecrypt(
                EncryptedData encryptedData,
                PrivateKey traditionalPrivateKey,
                byte[] kyberPrivateKey) throws Exception {
            
            byte[] dek = null;
            
            // 1. 尝试用传统算法解密
            try {
                dek = decryptWithTraditional(
                    encryptedData.getEncryptedDekTraditional(),
                    traditionalPrivateKey
                );
            } catch (Exception e) {
                log.debug("传统算法解密失败");
            }
            
            // 2. 如果失败，尝试 PQC 解密
            if (dek == null) {
                dek = decapsulateWithKyber(
                    encryptedData.getEncryptedDekPqc(),
                    kyberPrivateKey
                );
            }
            
            // 3. 用 DEK 解密数据
            return decryptWithAes(encryptedData.getCiphertext(), dek);
        }
    }
    
    /**
     * 混合签名模式
     */
    public static class HybridSignature {
        
        public static byte[] hybridSign(
                byte[] message,
                PrivateKey traditionalKey,
                byte[] dilithiumPrivateKey) throws Exception {
            
            // 1. 用传统算法签名
            byte[] traditionalSig = signWithTraditional(message, traditionalKey);
            
            // 2. 用 Dilithium 签名
            byte[] pqSig = signWithDilithium(message, dilithiumPrivateKey);
            
            // 3. 组合签名
            return combineSignatures(traditionalSig, pqSig);
        }
        
        public static boolean hybridVerify(
                byte[] message,
                byte[] combinedSignature,
                PublicKey traditionalKey,
                byte[] dilithiumPublicKey) throws Exception {
            
            // 分离签名
            SignaturePair sigs = splitSignatures(combinedSignature);
            
            // 验证两者
            boolean traditionalValid = verifyWithTraditional(
                message, sigs.traditional, traditionalKey);
            boolean pqValid = verifyWithDilithium(
                message, sigs.pqc, dilithiumPublicKey);
            
            // 两者都有效才算通过
            return traditionalValid && pqValid;
        }
    }
}

@Service
@Slf4j
public class PqcMigrationPlan {
    
    /**
     * 密码学资产盘点
     */
    public Map<String, CryptoAsset> inventory() {
        
        Map<String, CryptoAsset> assets = new HashMap<>();
        
        // 1. TLS 证书和密钥
        for (Certificate cert : certificateRepository.findAll()) {
            CryptoAsset asset = CryptoAsset.builder()
                .id(cert.getId())
                .type(AssetType.CERTIFICATE)
                .algorithm(cert.getAlgorithm())
                .keyLength(cert.getKeyLength())
                .dataClassification(cert.getDataClassification())
                .lifetimeYears(cert.getRemainingValidityYears())
                .build();
            assets.put(cert.getId(), asset);
        }
        
        // 2. 加密密钥
        for (EncryptionKey key : keyRepository.findAll()) {
            CryptoAsset asset = CryptoAsset.builder()
                .id(key.getId())
                .type(AssetType.ENCRYPTION_KEY)
                .algorithm(key.getAlgorithm())
                .keyLength(key.getKeyLength())
                .dataClassification(key.getDataClassification())
                .lifetimeYears(key.getRemainingLifetimeYears())
                .build();
            assets.put(key.getId(), asset);
        }
        
        // 3. 签名密钥
        for (SigningKey key : signingKeyRepository.findAll()) {
            CryptoAsset asset = CryptoAsset.builder()
                .id(key.getId())
                .type(AssetType.SIGNING_KEY)
                .algorithm(key.getAlgorithm())
                .keyLength(key.getKeyLength())
                .purpose(key.getPurpose())
                .build();
            assets.put(key.getId(), asset);
        }
        
        return assets;
    }
    
    /**
     * 风险评估
     */
    public RiskAssessment assessQuantumRisk(Map<String, CryptoAsset> assets) {
        
        RiskAssessment assessment = new RiskAssessment();
        
        for (CryptoAsset asset : assets.values()) {
            
            QuantumRisk risk = QuantumRisk.LOW;
            
            // 高敏感数据 + 长生命周期 = 高风险
            if (asset.getDataClassification() == DataClassification.RESTRICTED
                && asset.getLifetimeYears() > 5) {
                risk = QuantumRisk.HIGH;
            }
            // 高敏感数据 = 中风险
            else if (asset.getDataClassification() == DataClassification.RESTRICTED) {
                risk = QuantumRisk.MEDIUM;
            }
            // 非对称加密算法 = 高风险
            else if (asset.getType() == AssetType.CERTIFICATE 
                && isAsymmetric(asset.getAlgorithm())) {
                risk = QuantumRisk.HIGH;
            }
            
            assessment.addAssetRisk(asset.getId(), risk);
        }
        
        return assessment;
    }
    
    /**
     * 迁移计划
     */
    public MigrationPlan createMigrationPlan(RiskAssessment assessment) {
        
        MigrationPlan plan = new MigrationPlan();
        
        // 按优先级分组
        List<String> urgent = assessment.getHighRiskAssets();
        List<String> medium = assessment.getMediumRiskAssets();
        List<String> low = assessment.getLowRiskAssets();
        
        // 阶段 1：紧急迁移（高风险）
        plan.addPhase(MigrationPhase.builder()
            .name("紧急迁移")
            .assets(urgent)
            .targetAlgorithm("Hybrid (EC + Kyber)")
            .deadline(Instant.now().plus(Duration.ofDays(180)))
            .build());
        
        // 阶段 2：标准迁移（中风险）
        plan.addPhase(MigrationPhase.builder()
            .name("标准迁移")
            .assets(medium)
            .targetAlgorithm("Kyber/Dilithium")
            .deadline(Instant.now().plus(Duration.ofDays(365)))
            .build());
        
        // 阶段 3：收尾（低风险）
        plan.addPhase(MigrationPhase.builder()
            .name("收尾")
            .assets(low)
            .targetAlgorithm("Post-Quantum Only")
            .deadline(Instant.now().plus(Duration.ofDays(730)))
            .build());
        
        return plan;
    }
}