Порівняльний аналіз постквантових асиметричних алгоритмів шифрування
Робота присвячена аналізу кандидатів на постквантовий стандарт асиметричного шифрування.
Gespeichert in:
| Datum: | 2019 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
2019
|
| Schriftenreihe: | Математичне та комп'ютерне моделювання. Серія: Технічні науки |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/168581 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Порівняльний аналіз постквантових асиметричних алгоритмів шифрування / В.В. Онопрієнко, В.А. Пономар // Математичне та комп'ютерне моделювання. Серія: Технічні науки: зб. наук. пр. — Кам’янець-Подільський: Кам'янець-Подільськ. нац. ун-т, 2019. — Вип. 19. — С. 120-125. — Бібліогр.: 3 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-168581 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1685812020-05-05T01:26:48Z Порівняльний аналіз постквантових асиметричних алгоритмів шифрування Онопрієнко, В.В. Пономар, В.А. Робота присвячена аналізу кандидатів на постквантовий стандарт асиметричного шифрування. The paper deals with the analysis of candidates for the post-quantum standard of asymmetric encryption. 2019 Article Порівняльний аналіз постквантових асиметричних алгоритмів шифрування / В.В. Онопрієнко, В.А. Пономар // Математичне та комп'ютерне моделювання. Серія: Технічні науки: зб. наук. пр. — Кам’янець-Подільський: Кам'янець-Подільськ. нац. ун-т, 2019. — Вип. 19. — С. 120-125. — Бібліогр.: 3 назв. — укр. 2308-5916 DOI: 10.32626/2308-5916.2019-19.120-125 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/168581 004.056.55 uk Математичне та комп'ютерне моделювання. Серія: Технічні науки Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| description |
Робота присвячена аналізу кандидатів на постквантовий стандарт асиметричного шифрування. |
| format |
Article |
| author |
Онопрієнко, В.В. Пономар, В.А. |
| spellingShingle |
Онопрієнко, В.В. Пономар, В.А. Порівняльний аналіз постквантових асиметричних алгоритмів шифрування Математичне та комп'ютерне моделювання. Серія: Технічні науки |
| author_facet |
Онопрієнко, В.В. Пономар, В.А. |
| author_sort |
Онопрієнко, В.В. |
| title |
Порівняльний аналіз постквантових асиметричних алгоритмів шифрування |
| title_short |
Порівняльний аналіз постквантових асиметричних алгоритмів шифрування |
| title_full |
Порівняльний аналіз постквантових асиметричних алгоритмів шифрування |
| title_fullStr |
Порівняльний аналіз постквантових асиметричних алгоритмів шифрування |
| title_full_unstemmed |
Порівняльний аналіз постквантових асиметричних алгоритмів шифрування |
| title_sort |
порівняльний аналіз постквантових асиметричних алгоритмів шифрування |
| publisher |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| publishDate |
2019 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/168581 |
| citation_txt |
Порівняльний аналіз постквантових асиметричних алгоритмів шифрування / В.В. Онопрієнко, В.А. Пономар // Математичне та комп'ютерне моделювання. Серія: Технічні науки: зб. наук. пр. — Кам’янець-Подільський: Кам'янець-Подільськ. нац. ун-т, 2019. — Вип. 19. — С. 120-125. — Бібліогр.: 3 назв. — укр. |
| series |
Математичне та комп'ютерне моделювання. Серія: Технічні науки |
| work_keys_str_mv |
AT onopríênkovv porívnâlʹnijanalízpostkvantovihasimetričnihalgoritmívšifruvannâ AT ponomarva porívnâlʹnijanalízpostkvantovihasimetričnihalgoritmívšifruvannâ |
| first_indexed |
2025-07-15T03:23:26Z |
| last_indexed |
2025-07-15T03:23:26Z |
| _version_ |
1837681666688024576 |
| fulltext |
Математичне та комп’ютерне моделювання
120
УДК 004.056.55
DOI: 10.32626/2308-5916.2019-19.120-125
В. В. Онопрієнко*, канд. техн. наук, доцент,
В. А. Пономар**, канд. техн. наук
* ПАТ «Інститут інформаційних технологій», м Харків,
**Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, м. Харків
ПОРІВНЯЛЬНИЙ АНАЛІЗ ПОСТКВАНТОВИХ
АСИМЕТРИЧНИХ АЛГОРИТМІВ ШИФРУВАННЯ
Робота присвячена аналізу кандидатів на постквантовий стан-
дарт асиметричного шифрування. З розвитком технологій кванто-
вих обчислень і появою квантового комп’ютера виникає загроза
поточному стану захищеності криптографічних систем з відкри-
тим ключем. З появою квантового комп’ютера, який буде мати
необхідний для методів квантового криптоаналізу об’єм регістру
розподілених квантів, стійкість існуючих криптоалгоритмів знач-
но знизиться. З цього випливає необхідність створення алгорит-
мів стійких до методів квантового криптоаналізу. Європейський
проект «Нові європейські алгоритми для електронного підпису,
цілісності та шифрування» (NESSIE) та Національний інститут
стандартів і технологій (NIST) США об’явили про початок набо-
ру претендентів на конкурс постквантових алгоритмів, стандарти
щодо яких планується прийняти в 2020–2022 рр. Для порівняння
обрано методику оцінювання на основі інтегральних оцінок безу-
мовних і умовних критеріїв. Аналіз проводився серед алгоритмів,
що пройшли загальні безумовні критерії. Як умовні критерії об-
рано чисельні характеристики алгоритмів. Крім того висувалися
додаткові безумовні критерії.
Актуальна задача — це порівняльний аналіз та оцінка можли-
вості використання постквантових механізмів, які представлені
існуючими на даний момент алгоритмами, в залежності від умов
застосування. На даний момент проводиться лише дослідження
можливості використання відповідних криптоперетворень у пост-
квантовий період, але що не проводився аналіз переваг одних над
іншими. Крім того необхідно оцінити саму можливість викорис-
тання таких алгоритмів з урахуванням обмежень, що накладають-
ся існуючими інформаційними системами.
Результати досліджень дозволяють зрозуміти поточний
стан розвитку постквантових криптоалгоритмів і спрогнозува-
ти можливий їх подальший розвиток. Цей прогноз важливий
тим, що постквантові криптографічні механізми являють со-
бою новий етап розвитку та застосування криптографії. Крім
того практичне значення дослідження полягає в отриманні
оцінки постквантових алгоритмів.
Ключові слова: постквантові криптографічні алгорит-
ми, порівняльна оцінка криптоалгоритмів, критерії порівнян-
ня криптоалгоритмів.
© В. В. Онопрієнко, В. А. Пономар, 2019
Серія: Технічні науки. Випуск 19
121
Вступ. Останнім часом все більшої актуальності набуває питання
захисту інформації від атак з використанням квантового комп’ютера. Це
питання постає через те, що за останніми дослідженнями, захист класич-
них криптографічних алгоритмів електронного підпису від методів кван-
тового криптоаналізу буде значно меншим. Тому постає необхідність
створення нових алгоритмів підпису та шифрування, що буде викорис-
товувати криптографічні перетворення, що є стійкими до методів кван-
тового криптоаналізу. Але додатково висувається вимога до механізмів
захисту ключів за допомогою алгоритмів інкапсуляції ключів.
Як підтвердження необхідності розробки постквантових алгори-
тмів необхідно привести роботу [1]. В ній відмічається, що в серпні
2015 року агентство національної безпеки (АНБ) уряду США висту-
пило з великою заявою про необхідність розробки стандартів пост
квантової криптографії. В цій статті проаналізована небезпека засто-
сування квантових комп’ютерів для сучасних криптоалгоритмів, та
запропоновано механізми криптоперетворень, що є стійкими до кван-
тового криптоаналізу різних типів.
Аналіз літературних джерел [1–3] показав, що нині ще відсутні
порівняння між потенційно можливими постквантовими механізма-
ми, а також дані про можливості їх застосування в залежності від
умов та середовища. Водночас саме вибір найбільш перспективних
криптографічних перетворень для пост квантового застосування є
надзвичайно важливим, так як він визначить подальший напрямок
розвитку криптографії асиметричної криптографії.
Метою досліджень є оцінка та порівняльний аналіз існуючих
методів постквантових криптоперетворень алгоритмів у залежності
від висунутих вимог та умов їх застосування. Це надасть можливість,
по-перше, виділити алгоритми, які скоріше за все стануть майбутніми
постквантовими стандартами, а по-друге — спрогнозувати подаль-
ший напрямок розвитку асиметричної криптографії.
Матеріали та методи дослідження. При порівняльному аналізі
використовувалася сукупність безумовних і умовних оцінок. Умов-
ними оцінками виступали наступні характеристики алгоритмів:
1) Iст. — рівень криптографічної стійкості;
2) lв.к — довжина відкритого ключа;
3) lо.к — довжина особистого ключа;
4) lрез. — довжина результату криптоперетворення;
5) Тпр. — швидкість прямого криптоперетворення;
6) Тзв. — швидкість зворотнього криптоперетворення;
7) Тгкп. — швидкість генерації ключової пари.
При оцінюванні використовувався метод попарних порівнянь.
Експертні оцінки використовувалися для оцінки важливості кожної з
наведених характеристик, а безпосередньо при порівнянні алгоритмів
Математичне та комп’ютерне моделювання
122
використовувалися об’єктивні числові значення, шкала оцінки (яка
при оцінювані об’єктивних показників характеристик враховує поря-
док переваги одного алгоритма над іншим за цією характеристикою),
та вагові коефіцієнти важливості характеристик, що були отримані
при експертному оцінюванні (табл. 1).
Таблиця 1
Експертні оцінки характеристик криптоалгоритмів
Показники
Експерти
Iст. lв.к lо.к lрез. Тпр. Тзв. Тгкп.
1 0,073 0,045 0,033 0,262 0,275 0,275 0,038
2 0,067 0,067 0,029 0,198 0,298 0,298 0,043
3 0,080 0,035 0,035 0,341 0,229 0,229 0,053
4 0,098 0,051 0,029 0,390 0,205 0,205 0,023
5 0,083 0,083 0,039 0,386 0,191 0,191 0,027
W 0,080 0,056 0,033 0,315 0,239 0,239 0,037
В даному дослідженні при виборі алгоритмів висувалися додат-
кові безумовні вимоги:
1) алгоритм має гарантувати, що найменше 3 рівень безпеки за кла-
сифікацією NIST [3];
2) якщо існує декілька варіантів наборів параметрів для одного алго-
ритму, то в порівнянні бере участь варіант, що гарантує найбіль-
шу безпеку.
В табл. 2 наведені характеристики обраних для порівняння алго-
ритмів, швидкодія задана в мільйонах (106) тактів.
На рис. 1 показано гіксограму відносної переваги алгоритмів. Як
видно найбільшу перевагу має алгоритм NTRU Prime IIT Ukraine, на
другому місці — LAC, на третьому — OKCN/AKCN/CNKE.
Для уточнення результатів проведено порівняння з використан-
ням методу ранжування. Відмінність цього методу в тому, що він
враховує лише кількість характеристик за якими у алгоритма є пере-
вага та кількість алгоритмів над якими за цією характеристикою він
кращий, але не враховує розмір цієї переваги.
Таблиця 2
Характеристики алгоритмів шифрування
Алгоритми Тип Iст. lв.к lо.к lрез. Тпр. Тзв. Тгкп.
Giophantus Lattices 5 27204 1134 54408 420,543 792,577 0,213
KINDI Lattices 5 2368 2752 3328 0,705 0,919 0,489
LAC Lattices 5 1056 2080 2048 0,137 0,133 0,573
LEDApkc Codes 5 12384 40 24768 92,84 264,938 0,810
LIMA Lattices 5 12289 18433 12291 0,909 1,126 1,084
Lizard Lattices 5 8192 998266 8512 0,805 0,568 1,307
LOTUS Lattices 5 1470976 1630720 1768 0,901 1,087 3,057
Серія: Технічні науки. Випуск 19
123
Продовження таблиці 2
McNie Codes 5 630 584 729 3,504 7,707 4,239
NTRUEnc-
rypt
Lattices 5 64232 63912 127696 174,2 0,299 47,297
Odd
Manhattan
Lattices 5 4454241 4456650 616704 141,625 155,302 127,488
OKCN/
AKCN/
CNKE
Lattices 5 1312 992 1200 0,568 0,631 366,432
Round2 Lattices 5 830 1039 953 0,905 1,135 1599,640
RQC Codes 5 40 1795 3574 6,46 18 1899,306
Titanium Lattices 5 23552 32 8320 2,974 0,561 2147,483
NTRU
Prime IIT
Ukraine
Lattices 5 1578 243 1578 0,074 0,138 3248,122
В табл. 3 наведені експертні оцінки та вагові коефіцієнти важли-
вості характеристик криптографічних алгоритмів асиметричного ши-
фрування.
0,0000
0,0200
0,0400
0,0600
0,0800
0,1000
0,1200
0,1400
0,1600
0,1800
В
ід
н
о
сн
а
п
е
р
е
в
а
га
Рис. 1. Відносна перевага алгоритмів асиметричного шифрування
Таблиця 3
Експертні оцінки характеристик
криптоалгоритмів за методом ранжування
Показники
Експерти
Iст. lв.к lо.к lрез. Тпр. Тзв. Тгкп.
1 4 3 1 5 6 7 2
2 3 4 1 5 6 7 2
3 4 2 1 7 5 6 3
Математичне та комп’ютерне моделювання
124
Продовження таблиці 3
4 4 3 2 7 6 5 1
5 4 3 2 7 6 5 1
W 0,136 0,107 0,050 0,221 0,207 0,214 0,064
На рис. 2 показано гіксограму відносної переваги алгоритмів, що
отримано методом ранжування. Як видно найбільшу перевагу мають
алгоритми NTRU Prime IIT Ukraine та LAC (в них однакове значення
переваги), на третьому — OKCN/AKCN/CNKE.
0,000
0,020
0,040
0,060
0,080
0,100
0,120
G
io
p
h
an
tu
s
K
IN
D
I
LA
C
LE
D
A
p
kc
LI
M
A
Li
za
rd
LO
T
U
S
M
cN
ie
N
TR
U
En
cr
yp
t
O
d
d
M
a
n
h
at
ta
n
O
K
C
N
/A
K
C
N
/C
N
…
R
o
u
n
d
2
R
Q
C
T
it
an
iu
m
N
TR
U
P
ri
m
e
II
T…
В
ід
н
о
сн
а
п
е
р
е
в
а
га
Рис. 2. Відносна перевага алгоритмів асиметричного
шифрування за методом ранжування
Висновки. З результатів порівняння постквантових алгоритмів
шифрування максимального рівня захисту можна зробити висновок,
що алгоритми, що базуються на криптоперетвореннях у решітках
числового поля мають перевагу над алгоритмами з іншими матема-
тичними апаратами, що дозволяє зосередити увагу над дослідженням
саме цих алгоритмів.
Список використаних джерел:
1. Koblitz N., Menezes A. J. A riddle wrapped in an enigma. URL:
https://eprint.iacr.org/2015/1018.pdf.
2. Moody D. Post-Quntum Cryptography: NIST’s Plan for the Future. The
Seventh International Conference on Post-Quntum Cryptography, Japan, 2016.
URL: https://pqcrypto2016.jp/data/pqc2016_nist_announcement.pdf.
3. Mosca M. Setting the Scene for the ETSI Quantum-safe Cryptography
Workshop. E-proceedings of «1st Quantum-Safe-Crypto Workshop», Sophia
Antipolis, Sep 26–27, 2013. URL: http://docbox.etsi.org/Workshop/2013/-
201309_CRYPTO/eproceedings_Crypto_2013.pdf.
https://pqcrypto2016.jp/data/pqc2016_nist_announcement.pdf
Серія: Технічні науки. Випуск 19
125
COMPARATIVE ANALYSIS OF POST-QUANTUM
ASYMMETRIC ENCRYPT ALGORITHMS
Due to the development of technologies for quantum computing and the in-
troduction of quantum computer, there is a threat to the current state of protec-
tion of cryptographic systems with a public key. With an advent of quantum
computer that would have the volume of register required for the methods of
quantum cryptanalysis, the stability of existing crypto algorithms will signifi-
cantly degrade. This necessitates the creation of algorithms resistant to the
methods of quantum cryptanalysis. The European project «New European
Schemes for Signatures, Integrity, and Encryptions» (NESSIE) and the Nation-
al Institute of Standards and Technologies (NIST) of the USA announced a
start of recruiting the applicants for the contest of post-quantum algorithms
whose standards are planned to be adopted over 2020–2022. In order to com-
pare, a procedure for evaluation was selected based on integral assessments of
unconditional and conditional criteria. An analysis was conducted among the
algorithms that fulfilled general unconditional criteria. As conditional criteria,
we chose numerical characteristics of algorithms. In addition, additional un-
conditional criteria were put forward.
A relevant task is the comparative analysis and evaluation of a possibility
to use the post-quantum mechanisms, which are represented by the algorithms
that already exist, depending on the conditions of applying them. At present,
only the possibility of using the appropriate crypto transformations over a post-
quantum period is being examined, but the analysis of advantages of one over
another has not been run yet. In addition, it is necessary to evaluate the very
possibility to use such algorithms taking into account those constraints that are
imposed by the existing information systems.
Results of present research allow us to understand current state in the
development of post-quantum crypto algorithms and to predict their possi-
ble further development.
This forecast is important in that the post-quantum cryptographic
mechanisms represent a new stage in the development and use of cryptog-
raphy. In addition, the practical value of the research consists in obtaining
the evaluation for post-quantum algorithms.
Key words: post-quantum cryptographic algorithms, comparative as-
sessment of crypto algorithms, comparison criteria of crypto algorithms.
Одержано 12.02.2019
|