Im Projekt PQC-SRC hat ein Team unter der Leitung von Sujoy Sinha Roy vom Institut für angewandte Informationsverarbeitung und Kommunikationstechnologie (IAIK) der TU Graz eine Hardware für PQC-Algorithmen entwickelt und weitere Sicherheitsmaßnahmen implementiert. Die Forschenden standen dabei auch im Austausch mit Unternehmen wie Intel und AMD.
Ein Ergebnis dieser Forschung ist die Konstruktion des einheitlichen kryptographischen Coprozessors KaLi, der sowohl das Schlüsselkapselungsverfahren Kyber als auch den digitalen Signaturalgorithmus Dilithium unterstützt. Dieses einheitliche Design ist für sichere Kommunikationsprotokolle wie das weit verbreitete Transport Layer Security (TLS) unerlässlich, da dabei Schlüsselkapselung und digitale Signaturen zum Einsatz kommen. Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung war es, das Design des Coprozessors kompakt zu halten, weil die PQC-Algorithmen mehr Speicher und Recheneinheiten als konventionelle Kryptographie benötigen. Wird das Design diesen Effizienzanforderungen nicht gerecht, könnten viele Geräte mit begrenzten Ressourcen, wie beispielsweise in IoT- oder Smart-Card-Anwendungen, nicht mehr verwendet werden. Zudem muss die Prozessorarchitektur agil und flexibel bleiben – das ermöglicht Änderungen der kryptographischen Algorithmen aufgrund zukünftiger Bedrohungen ohne Hardware-Tausch.
Neben der Effizienz und der Kompaktheit ist auch die physische Sicherheit einer kryptographischen Implementierung wichtig. So mögen die mathematischen Probleme hinter einem Algorithmus bekannten Angriffen standhalten, doch auch die physikalischen Eigenschaften eines Computers, etwa Wärmeschwankungen, elektromagnetische Strahlung oder Energieverbrauch, können sensible Informationen preisgeben. Angreifer könnten etwa Mithilfe einer Antenne herausfinden, was in einem Gerät vor sich geht. Darum erarbeitete das Forschungsteam Techniken, um Systeme auch vor solchen Angriffen zu schützen. Dabei entstand die Datenrandomisierungstechnik Kavach. Diese optimiert den Rechenaufwand durch die Nutzung spezieller Zahleneigenschaften, die in den Rechenoperationen der Algorithmen genutzt werden. Die Technik können Kryptographen nun dazu nutzen, Post-Quanten-Algorithmen für KEM und Signaturen zu entwickeln, die besser gegen physikbasierte Angriffe geschützt sind. (jr)
