Kyber

Kyber算法的Rust实现，该算法是由NIST后量子标准化项目标准化的一种KEM。

本库

• 与no_std兼容，不需要分配器，适用于嵌入式设备。
• 参考文件不包含不安全代码，并使用纯Rust编写。
• 在x86_64平台上默认使用avx2优化的版本，该版本包含从C仓库中取出的部分汇编代码。
• 使用wasm-bindgen编译为WASM，并在NPM上发布了可用的二进制文件。

请参阅特性部分，了解有关安全级别和操作模式的选项。默认安全设置是kyber768。

建议在混合系统中与传统的密钥交换算法（如X25519）一起使用Kyber。

请在使用前阅读安全注意事项。

最低支持的Rust版本：1.47.0

安装

在Cargo.toml

[dependencies]
cosmian_kyber = "0.1.0"

使用

use cosmian_kyber::*;

在x86平台上进行优化时，启用avx2功能和以下RUSTFLAGS

export RUSTFLAGS="-C target-feature=+aes,+avx2,+sse2,+sse4.1,+bmi2,+popcnt"

高级密钥交换结构对于大多数用例都是合适的。

单方认证密钥交换

let mut rng = rand::thread_rng();

// Initialize the key exchange structs
let mut alice = Uake::new();
let mut bob = Uake::new();

// Generate Bob's Keypair
let bob_keys = keypair(&mut rng);

// Alice initiates key exchange
let client_init = alice.client_init(&bob_keys.public, &mut rng);

// Bob authenticates and responds
let server_response = bob.server_receive(
  client_init, &bob_keys.secret, &mut rng
)?;

// Alice decapsulates the shared secret
alice.client_confirm(server_response)?;

// Both key exchange structs now have the same shared secret
assert_eq!(alice.shared_secret, bob.shared_secret);

相互认证密钥交换

相互认证遵循相同的流程，但向函数传递了额外的密钥。

let mut alice = Ake::new();
let mut bob = Ake::new();

let alice_keys = keypair(&mut rng);
let bob_keys = keypair(&mut rng);

let client_init = alice.client_init(&bob_keys.public, &mut rng);

let server_response = bob.server_receive(
  client_init, &alice_keys.public, &bob_keys.secret, &mut rng
)?;

alice.client_confirm(server_response, &alice_keys.secret)?;

assert_eq!(alice.shared_secret, bob.shared_secret);

密钥封装

用于直接使用Kyber算法的底层函数。

// Generate Keypair
let keys_bob = keypair(&mut rng);

// Alice encapsulates a shared secret using Bob's public key
let (ciphertext, shared_secret_alice) = encapsulate(&keys_bob.public, &mut rng)?;

// Bob decapsulates a shared secret using the ciphertext sent by Alice
let shared_secret_bob = decapsulate(&ciphertext, &keys_bob.secret)?;

assert_eq!(shared_secret_alice, shared_secret_bob);

错误

KyberError枚举有两个变体

• InvalidInput - 函数的一个或多个输入大小不正确。可能的原因是在尝试协商密钥交换时，双方使用不同的安全级别。

• Decapsulation - 密文无法进行认证。共享密钥没有被解封装。

特性

如果没有指定安全级别，则默认使用作者推荐的标准 kyber768，其安全性大致相当于 AES-192。除了两个安全级别外，所有其他功能可以根据需要组合。例如

[dependencies]
cosmian_kyber = {version = "0.2.0", features = ["kyber512", "90s", "avx2"]}

测试

run_all_tests 脚本将通过运行安全级别、变体和 crate 功能的矩阵来遍历所有可能的代码路径。

已知答案测试需要确定性随机数生成器种子，在 RUSTFLAGS 中启用 kyber_kat 以使用它们。在 cargo test 之外使用此功能将导致编译时错误。测试向量文件相当大，您需要从 C 参考代码自行构建它们。有一个辅助脚本可以完成此操作：这里。

# This example runs the basic tests for kyber768
cargo test

# This runs the KATs for kyber512 in 90's mode
RUSTFLAGS='--cfg kyber_kat' cargo test --features "kyber512 90s"

有关更全面的信息，请参阅 测试说明。

基准测试

使用 criterion 进行基准测试。如果您已安装 GNUPlot，它将在 ./target/criterion/ 中生成统计图表。

有关正确使用的信息，请参阅 基准测试说明。

您需要使用 benchmarking 功能

模糊测试

模糊测试套件使用 honggfuzz，安装和说明在 模糊测试 页面上。

WebAssembly

此库已编译成 WebAssembly 并作为 npm 包发布。使用说明在此处

https://npmjs.net.cn/package/pqc-kyber

它也位于 wasm 说明 中

安装

npm i pqc-kyber

要自行编译 wasm 文件，您需要启用 wasm 功能。

例如，使用 wasm-pack

wasm-pack build -- --features wasm

它将导出 wasm、javascript 和 typescript 文件到 ./pkg/

要将不同的变体编译到不同的文件夹中

wasm-pack build --out-dir pkg_kyber512/ -- --features "wasm kyber512"

在 www 文件夹中还有一个基本的 html 示例。

从 www 文件夹运行

npm run start

安全考虑

虽然已经尽力将 C 参考代码库移植过来，但此库尚未经过任何第三方安全审计，也不能保证 LWE 密码学中的潜在漏洞或由此实现引起的潜在侧信道攻击的可能性。

Kyber是一个相对较新的协议，建议与传统的X25519算法一起在混合密钥交换系统中使用，而不是单独使用。

关于进一步阅读，IETF有一个关于TLS 1.3混合密钥交换的草案

https://www.ietf.org/archive/id/draft-ietf-tls-hybrid-design-04.html

您还可以在这里查看OpenSSH如何使用C语言实现此类系统：此处

请自行承担风险。

关于

Kyber是一种IND-CCA2安全的密钥封装机制（KEM），其安全性基于解决模块格上的学习错误（LWE）问题的困难性。它是来自NIST后量子密码学项目的最终标准化算法。

官方网站：https://pq-crystals.org/kyber/

Kyber算法的作者

• Roberto Avanzi，ARM Limited（德国）
• Joppe Bos，NXP Semiconductors（比利时）
• Léo Ducas，CWI Amsterdam（荷兰）
• Eike Kiltz，Ruhr University Bochum（德国）
• Tancrède Lepoint，SRI International（美国）
• Vadim Lyubashevsky，IBM Research Zurich（瑞士）
• John M. Schanck，University of Waterloo（加拿大）
• Peter Schwabe，Radboud University（荷兰）
• Gregor Seiler，IBM Research Zurich（瑞士）
• Damien Stehle，ENS Lyon（法国）

贡献

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