PQC tulee, oletko valmis? Katsaus NIST PQC –projektiin ja sen tuloksiin

Severi Muona PQC TULEE, OLETKO VALMIS? KATSAUS NIST PQC –PROJEKTIIN JA SEN TULOKSIIN JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO INFORMAATIOTEKNOLOGIAN TIEDEKUNTA 2024 TIIVISTELMÄ Muona, Severi PQC tulee, oletko valmis? Katsaus NIST PQC –projektiin ja sen tuloksiin Jyväskylä: Jyväskylän yliopisto, 2024, 42 s. Kyberturvallisuus, pro gradu -tutkielma Ohjaaja(t): Hämäläinen, Timo ja Viinikainen, Ari Tutkimus käsittelee NIST Post-Quantum Cryptography (PQC) -projektin taustaa, toteutusta ja tuloksia. Tutkimuksessa kuvataan sitä, miksi projekti on käynnistetty, mihin sen aikana suoritettu arviointi on perustunut, ja mitkä ovat sen myötä saavutetut tulokset. Tutkimus on laadullinen tutkimus, joka toteutettiin kirjallisuuskatsauksena. Aiheeseen liittyvä aineisto on kerätty teoriaosuutta varten aiheeseen liittyvistä akateemisista tietokannoista. NIST PQC -projektiin liittyvä aineisto pohjautuu projektin aikana julkaistuun dokumentaatioon ja raportointiin. Lisäksi aineistona käytetään aiheeseen liittyviä standardeja. NIST PQC on vuonna 2016 käynnistetty projekti, jonka tavoitteena on löytää yksi tai useampi kvanttilaskennan kestävä salausalgoritmi standardointia varten. Vuoden 2016 jälkeen on suoritettu projektiin liittyen kolme kierrosta, joiden aikana hieman yli kahdeksankymmenen ehdokkaan joukosta on karsittu kolme algoritmia standardeiksi ja neljä jatkokehitykseen. 13.8.2024 NIST julkaisi kolme standardia, joiden määrittelemät algoritmit on hyväksytty kvanttilaskennan kestäviksi vaihtoehdoiksi osana NIST:n standardeja salausratkaisuihin liittyen. Tutkimuksen tarkoituksena oli kuvata NIST PQC -projektin tämänhetkinen tilanne ja sen tulokset. Samalla käsitellään myös asioita, joihin ei vielä ole projektin myötä löydetty ratkaisua. Keskeisimpinä tuloksina ovat tietysti kolme standardia. Lisäksi merkittävänä saavutuksena voidaan pitää aihepiirille tärkeän tutkimuksen suorittamista edeltävän kahdeksan vuoden aikana. Tutkimuksen perusteella NIST PQC -projektin tuottamat standardit on mahdollista ottaa käyttöön ja implementoida osaksi nykyisellään käytössä olevia salausratkaisuita. Asiasanat: Kvanttilaskenta, salausalgoritmi, PKI, PQC, NIST, RSA, DSA ABSTRACT Muona, Severi PQC is coming, are you ready? An overview of the NIST PQC project and its results Jyväskylä: University of Jyväskylä, 2024, 42 pp. Cyber Security, Master’s Thesis Supervisor(s): Hämäläinen, Timo and Viinikainen, Ari The research addresses the background, implementation, and results of the NIST Post-Quantum Cryptography (PQC) -project. The study describes why the project was initiated, what its conducted evaluations were based on during its course, and what results have been achieved through it. The research is qualitative and was conducted as a literature review. Material related to the subject was collected from academic databases for theoretical parts. Materials related to the NIST PQC project are based on documentation and reporting published during the project. Additionally used were standards related to the subject. NIST PQC is a project initiated in 2016 with an aim to find one or more quantum-resistant cryptographic algorithms for standardization purposes. Since 2016 there have been three rounds associated with this project during which over eighty candidates were narrowed down to three algorithms for standards and four for further development. On August 13th, 2024, NIST published three standards whose defined algorithms have been approved as quantum-resistant options as part of NIST’s encryption solution standards. The purpose of this study was to describe both the status and outcomes associated with the NIST PQC Project while also addressing issues not yet resolved by it. Of course, among key outcomes are those three standards. Additionally, a significant achievement is the completion of important research in the field over the preceding eight years. Based on the research, the standards produced by the NIST PQC project can be adopted and implemented as part of currently used encryption solutions. Keywords: Quantum computing, encryption algorithm, PKI, PQC, NIST, RSA, DSA KUVIOT KUVIO 1 Salauksen periaate havainnollistettuna..................................................... 13 KUVIO 2 Salaus symmetrisellä menetelmällä ........................................................... 15 KUVIO 3 Salaus asymmetrisellä menetelmällä ......................................................... 16 KUVIO 4 PQC prosessin aikana karsitut algoritmit ................................................. 29 TAULUKOT Taulukko 1 NIST PQC -prosessin aikana julkaistut dokumentit NIST PQC – projektin sivustolla listattuna (NIST, 2024) ................................................................ 24 Taulukko 2 NIST PQC prosessin arviointikriteeristön kuvaukset salaukseen liittyen (NIST, 2016) ......................................................................................................... 27 Taulukko 3 NIST PQC arviointikriteeristön soveltaminen kvanttilaskennan suhteen (NIST, 2016) ........................................................................................................ 27 Taulukko 4 ML-KEM algoritmin avaimien ja salakirjoituksen koot bitteinä parametrikategorioiden perusteella ............................................................................. 31 Taulukko 5 ML-DSA algoritmien avainten ja allekirjoitusten koot bitteinä parametrikategorioittain ................................................................................................. 32 Taulukko 6 SLH-DSA algoritmin avainten koot bitteinä parametrikategorioittain .............................................................................................................................................. 33 SISÄLLYS TIIVISTELMÄ ABSTRACT KUVIOT JA TAULUKOT 1 JOHDANTO ...............................................................................................................7 2 KVANTTILASKENTA ...........................................................................................10 2.1 Kvanttilaskentaan liittyvät algoritmit .......................................................10 2.2 Kvanttilaskennan ja tavanomaisen laskennan erot ................................11 2.3 Kilpailu kvanttiteknologian kehityksestä ................................................12 3 KÄYTÖSSÄ OLEVAT SALAUSRATKAISUT...................................................13 3.1 Salauksen tarve ..............................................................................................14 3.2 Käytössä olevia algoritmeja .........................................................................15 3.2.1 AES (Advanced Encryption Standard) ...........................................16 3.2.2 RSA (Rivest-Shamir-Adleman –algoritmi) .....................................17 3.2.3 DH (Diffie-Hellman) ...........................................................................17 3.2.4 Kryptografiset tiivistesumma-algoritmit ........................................18 4 TUTKIMUSMENETELMÄ ....................................................................................19 4.1 Tutkimustehtävä ............................................................................................19 4.2 Tutkimuksen rajaukset ja tutkimusmenetelmät .....................................20 4.3 Teoria ja aineisto ............................................................................................21 4.4 Aineiston ja tutkimusmenetelmien luotettavuus ...................................22 5 NIST PQC –PROJEKTI ...........................................................................................23 5.1 NIST PQC -projektin tausta.........................................................................24 5.2 Arviointikriteeristö ........................................................................................26 5.2.1 Turvallisuus (Security) .......................................................................26 5.2.2 Kustannukset (Cost) ............................................................................28 5.2.3 Algoritmin ja implementaation ominaisuudet ..............................28 5.3 Kierrokset 1-3 ja niiden tulokset .................................................................28 6 PROJEKTIN KESKEISET TULOKSET ................................................................30 6.1 FIPS 203 – ML-KEM ......................................................................................30 6.2 FIPS 204 – ML-DSA .......................................................................................32 6.3 FIPS 205 – SLH-DSA .....................................................................................32 7 TUTKIMUSTULOKSET, POHDINTA JA JOHTOPÄÄTÖKSET ..................34 7.1 Yhteenveto ......................................................................................................35 7.2 Tulokset ...........................................................................................................36 7.3 Johtopäätökset ja jatkotutkimus .................................................................38 LÄHTEET............................................................................................................................40 Kvanttilaskennan mahdollistaman laskentatehon valjastamiseen liittyvaää tutkimusta on tehty jo vuosikymmeniä. Se on pitkään ollut teoreettista ja sen tuominen käytäntöön kaukana tulevaisuudessa. Viime vuosina on kuitenkin ennustettu tehokkaiden kvanttitietokoneiden saavuttamisen tapahtuvan jo muutamien kymmenien vuosien kuluttua (NISTIR 8105, 2015). Kvanttilaskennan tuomien muutosten kokoluokkaan herättiin jo 1990-luvulla. Vuonna 1994 julkaistu Shorin algoritmi esitteli kvanttilaskentaan perustuvan tavan ratkaista kokonaisluvun jaon alkutekijöihin ja diskreettiin logaritmiongelmaan liittyvän etsinnän (Shor, 1994). Kaksi vuotta myöhemmin Groverin algoritmi esitteli tavan hyödyntää kvanttilaskentaa alkioiden etsimiseen (Grover, 1996). Nämä algoritmit nostivat esille huolen siitä, että nykyisin käytössä olevat salausratkaisut voivat muodostua hyödyttömiksi kvanttilaskennan kehityksen myötä. Tämä uhka on pitkään ollut teoreettinen, tai ainakin kaukana tulevaisuudessa. Viime vuosikymmeninä nähdyt kehitysaskeleet kvanttilaskennan saralla antavat kuitenkin perusteen uskoa, että kyseinen pelko voi käydä toteen tulevina vuosikymmeninä. Keskeisimpiä kehitysaskeleita ovat esimerkiksi kvanttitietokoneiden laskentaan liittyvien virheiden määrän pienentäminen ja virheiden korjaukseen liittyvät teknologiat. (NISTIR 8105, 2015). Vuonna 2015 NIST (National Institute of Standards and Technology) käynnisti projektin, jonka tarkoituksena oli etsiä, seuloa, testata ja standardoida kvanttilaskennan kestäviä algoritmeja (Post-Quantum Cryptography, PQC). Projektin käynnistyttyä on järjestetty jo kolme arviointikierrosta, joiden aikana asiantuntijat ovat esitelleet kehittämiään PQC-ratkaisuja. PQC –projektin tuloksena NIST julkaisi 13.8.2024 kolme ensimmäistä standardoimaansa PQC-algoritmia, jotka se suosittelee organisaatioita ottamaan käyttöön. NIST PQC –projektiin lisäksi maailmalla on käynnistynyt muitakin projekteja vastaavaan kehitystyöhön liittyen. Esimerkiksi ETSI (European Telecommunications Standards Institute) on järjestynyt samaan aiheeseen liittyviä seminaareja. NIST PQC on kuitenkin laajin, pisimmälle viety ja julkisest dokumentoitu yritys standardoida kvanttilaskennan kestäviä algoritmeja. (NISTIR 8105, 2015). 1 JOHDANTO 8 Tämän tutkimuksen tarkoituksena on selvittää, minkälaisia PQC-ratkaisuja NIST:n järjestämässä projektissa on löydetty ja mitkä ovat olleet projektin keskeisimmät haasteet. Tarkoituksena on myös käydä läpi keskeisimmät ratkaisutyypit ja pyrkiä löytämään mahdollisia aiheita jatkotutkimukselle. Tutkimus toteutetaan perehtymällä aiheeseen liittyvään tutkimukseen ja NIST:n PQC-projektiin liittyvään dokumentaatioon. Tämän kautta pyritään muodostamaan kokonaiskuva aihepiiristä ja vastaamaan tutkimuksen tutkimuskysymyksiin. Tutkimuksen pääkysymys on seuraava: • Mitkä ovat saavutetut tulokset NIST PQA projektissa 9/2024 mennessä? Tutkimusta tukevat alakysymykset ovat seuraavat: • Miten näitä tuloksia voidaan soveltaa nykyisin käytössä oleviin järjestelmiin suojauduttaessa kvanttilaskennan kehityksen liittyviltä uhilta? • Mitä asioita on vielä ratkaisematta uhkiin liittyen? Tutkimus on ajankohtainen, koska kvanttilaskentaan liittyvä kehitys on ottanut viimeisen vuosikymmenen aikana merkittäviä harppauksia. Aihe on noussut esille jo vuonna 1994 Shorin algoritmin julkaisun yhteydessä. Peter Shorin esittelemä algoritmi kykenee kvanttilaskennan myötä ratkaisemaan eksponentiaalisesti nopeammin matemaattiset ratkaisut, joiden perustalle nykyisin käytössä olevat salausratkaisut nojaavat (Shor, 1994). Aihe on nostettu alan tutkimuksessa säännöllisesti esille, kuten esimerkiksi Mailloux ym. (2016) käsitellessään kvanttilaskennan tuomia muutoksia IT-alaan liittyen. Aihe on viimevuosina noussut myös esille enenevässä määrin myös viranomaisten toimesta. Suomessa Kyberturvallisuuskeskus on kehottanut aloittamaan valmistautumisen kvanttilaskennan jälkeiseen aikaan (Kyberturvallisuuskeskus, 2024). Samoin HVO on nostanut esille aiheen ajankohtaisuuden (HVO, 2024). Vakoiluun liittyen SUPO on nostanut esille suurvaltojen kilpailun aihepiirin osalta (SUPO, 2021). NIST tuo vuonna 2016 julkaisemassaan selvityksessä esille, että viimeisen vuosikymmenen aikana on otettu aiheeseen liittyen suuria askeleita kohti merkittävää kvanttilaskennan kyvykkyyttä. (NISTIR 8105, 2016). Samana vuonna julkaisemassaan kutsussa osallistua PQC –projektiin NIST perustelee projektia standardoinnin tarpeella ja sillä, että ollaksemme valmiita kvanttilaskennan jälkeiseen aikaan, on suojauksen oltava valmis ennen laskentatehon saavuttamista. Ratkaisu on kyettävä implementoimaan ennen kvanttilaskennan merkittävää kehitystä, jotta suojattavat kohteet pysyvät suojassa. 9 Aihe on tärkeä sekä yksityistä, että julkista sektoria ajatellen. Suomessa on mahdollisuus tehdä aiheeseen liittyen merkittävää tutkimusta ja toimia asian suhteen edelläkävijänä. Salausalgoritmeja, niiden ominaisuuksia ja kvanttilaskennan muodostamaa uhkaa niille on tutkittu tutkimuskirjallisuudessa, pro gradu –tutkielmissa ja yritysten suorittamassa tutkimuksessa melko kattavasti. Kvanttilaskennan avulla suoritettavien algoritmien osalta Peter W. Shorin (1994) tutkimus “Algorithms for Quantum Computation: Discrete Logarithms and Factoring” esitteli tavan ratkaista nykypäivän salausratkaisuihin liittyviä matemaattisia ongelmia eksponentiaalisesti nopeammin. Hieman myöhemmin Lov K. Grover (1996) esitteli tutkimuksessaan “A fast quantum mechanical algorithm for database search” ratkaisun kvanttimekaniikan käytöstä alkioiden etsimiseen järjestämättömästä tietokannasta. Näiden algoritmien kautta käsitellään edelleen kvanttilaskennan muodostamaa uhkaa salaukselle, koska näiden algoritmien esittelemät ratkaisut ovat hyvin keskeisiä salausratkaisuiden suojaominaisuuksien suhteen. Artikkelissaan “Post-Quantym Cryptography: What Advancements in Quantum Computing Mean for IT Professionals” (Mailloux et al. 2016) kirjoittajat käyvät läpi kvanttilaskennan vaikutuksia ja mahdollisia ratkaisuita tähän kehitykseen. Samaan aihepiiriin liittyen Chen (2017) käsittelee artikkelissaan “Cryptography Standards in Quantum Time: New Wine in an Old Wineskin?” salausratkaisuiden aikaisempia ongelmatilanteita ja nostaa esille PQC-standardointiin liittyviä haasteita. Kvanttilaskennan muodostamiin haasteisiin liittyen myös NIST on julkaissut omia raporttejaan. NISTIR 8105 “Report on Post-Quantum Cryptography” (Chen, Jordan et al. 2016) käsittelee jo nyt mahdollisesti kvanttilaskennan kestäviä salausratkaisuita, kvanttilaskentaan liittyvän teknologian kehitystä ja aihepiiriin liittyviä tulevaisuuden skenaatioita. Kvanttilaskentaan liittyviä ongelmia on tarkasteltu tukimuksessa ja artikkeleissa myös teknologiakohtaisesti. Esimerkiksi erityisesti IoT laitteiden salausratkaisuihin liittyen Cheng, Lu et al. (2017) artikkelissaan “Securing the Internet of Things in a Quantum World” käsittelevät julkisiin avaimiin pohjautuvan salauksen haasteita kvanttilaskennan aikana. TLS 1.3 protokollaan liittyen Garcia et al. (2023) julkaisivat artikkelin “Quantum-Resistant TLS 1.3: A Hybrid Solution Combining Classical, Quantum and Post-Quantum Cryptography”, jossa käsiteltiin mainitun protokollan suojaamista otsikon mukaisin keinoin. Kvanttilaskennan kestävien algoritmien etsintään liittyen on myös syytä nostaa esille tunnettuihin salausalgoritmeihin liittyvää tutkimusta. Salausratkaisuita, kuten RSA ja Diffie-Hellman, on tutkittu laajalti. Tähän liittyen esimerkiksi NIST ja muut tahot ovat julkaisseet laajalti standardeja ja dokumentaatiota. Lisäksi esimerkiksi Mikko Kiviharjun (2017) julkaiussa “On the Fog of RSA Key Lengths” käsitellään RSA-algoritmin avaimien pituuteen liittyviä vaatimuksia ja ohjeita. Aikaisempi tutkimus kattaa siis aihepiiriä yleisesti, erilaisiin teknologioihin liittyvää tutkimusta ja tulevaisuuden ratkaisuihin liittyvää tutkimusta. 16 vastaanottajan julkisen avaimen ja oman yksityisen avaimen avulla viesti salataan. Kun viesti on toimitettu vastaanottajalle, voi hän avata sen omalla yksityisellä avaimellaan. KUVIO 3 Salaus asymmetrisellä menetelmällä Molemmat salausmenetelmät ovat käytössä ja niille on omat käyttötarkoituksensa. Vaikka asymmetristä salausta pidetään turvallisempana sen algoritmien ja salaisen avaimen vuoksi, on symmetrisellekin salaukselle tarvetta sen vaihdettavuuden vuoksi esimerkiksi mobiililaitteissa. (Alam & co, 2024). Lisäksi monissa tilanteissa yhdistetään joitain osia näistä molemmista: symmetrisen salausavaimen luominen voi esimerkiksi tapahtua osin käyttäen asymmetristä avainta. Salausalgoritmeista puhuttaessa on mainittava myös kryptografiset tiivistealgoritmit. Näiden tarkoituksena on tuottaa kryptografisesti tiivistesumma, jonka perusteella voidaan esittää tietty digitaalinen tiedosto. Tämä halutaan tehdä, jotta kyseinen tiedosto voidaan erottaa muista tiedostoista, jotka päälisin puolin muistuttavat toisiaan. Kyseessä on eräänlainen sormenjälki, jonka pohjalta voidaan yksilöidä digitaalisia tiedostoja. ( Gligorski, Knapskog, Amundsen, Jensen, 2011). Tiivistesumman perusteella pienetkin muutokset tiedostossa voidaan havaita ja erottaa esimerkiksi eri versiot toisistaan. 3.2.1 AES (Advanced Encryption Standard) AES on vuonna 2001 julkaistu symmetrinen salausalgoritmi. Sen toiminta ja ominaisuudet on kuvattu FIPS 197 (Federal Information Processing Standards 17 Publication) -dokumentissa. NIST julisti vuonna 2000 AES kilpailunsa voittajaksi Rijndael lohkosalausperheen ja sen myötä standardoitiin AES-128, AES-192 ja AES-256. Algoritmit perustuvat datan jakamiseen 128-bittiä suuriin lohkoihin ja niiden nimessä oleva numero viittaa avaimen pituuteen. (FIPS 197, 2001). Salaimen toiminta sisältää useita vaiheita. Lohkosalaimen perustoiminta voidaan kuvata yksinkertaistettuna seuraavasti: Salattava data jaetaan 128-bittisiin lohkoihin ja jokainen näistä lohkoista jaetaan 16 tilalohkoon. Tilalohko on siis 1/16 alkuperäisestä 128-bittisestä lohkosta, näin ollen se on 8-bittinen. Tätä 128bittistä datalohkoa käsitellään salauksen aikana niinkutsutuilla käsittelykierroksilla. Näiden käsittelykierrosten aikana datalohkoa muunnetaan algoritmin ja salausavaimesta generoidun kierrosavaimen avulla. Lopputuloksena saadaan salattu 128-bittinen lohko. (FIPS 197, 2001). AES-standardi on vakiinnuttanut roolinsa ja se on edelleen laajalti käytössä. Sitä käytetään esimerkiksi datan kryptaamiseen sovelluksissa, levyllä ja tietokannoissa. Lisäksi sitä käytetään TLS/SSL protokollassa ja esimerkiksi langattomissa yhteyksissä kuten WPA2 standardin WiFi. 3.2.2 RSA (Rivest-Shamir-Adleman –algoritmi) RSA on kenities tunnetuin salausmenetelmä ja se on käytössä hyvin laajalti nykypäivänä. Kyseessä on asymmetrinen salausmenetelmä, joka perustuu kahteen avaimeen: yksityiseen ja julkiseen. RSA:n periaatteita sovelletaan nykyään hyvin laajalti kun puhutaan salausratkaisuista. RSA:n toiminta perustuu ongelmaan, joka muodostuu lukujen tekijöihin jakamisen haasteesta. Lukujen laskenta tapahtuu valitsemalla kaksi salaista alkulukua, p ja q, satunnaisesti. Julkiselle avaimelle lasketaan tämän jälkeen ensimmäinen osa näiden tulona, n = pq. Tämän jälkeen valitaan luku d ja lasketaan vielä e. e lasketaan arvojen p, q ja d perusteella. RSA-algoritmia varten on alun perin suositeltu, että n on vähintään 200 merkkiä pitkä (Rivest, Shamir & Adleman, 1977). Esimerkiksi NIST on kuitenkin suositellut, että n arvon on syytä olla vähintään 3072 bittiä, jotta saavutetaan tarvittava suoja. Tarpeeseen vaikuttaa kuitenkin esimerkiksi salattava tieto sekä muut ominaisuudet (Kiviharju, 2017). Lukujen laskennan jälkeen käytössä on salainen avain ja julkinen avain. Viesti voidaan lähettää salattuna vastaanottajalleen, mikäli käytössä on kohteen julkinen avain. Käyttämällä tätä menetelmää viestin pystyy avaamaan vastaanottajan yksityistä avainta käyttäen. RSA algoritmia käytetään esimerkikiksi tiedon turvalliseen siirtämiseen, digitaalisiin allekirjoituksiin ja sähköpostin salaukseen esimerkiksi PGP-protokollan muodossa. 3.2.3 DH (Diffie-Hellman) Diffie – Hellman protokolla perustuu vuonna 1976 julkaistuun dokumenttiin, jonka laativat Whitfield Diffie ja Martin Hellman. Kyseessä on asymmetrinen salausmenetelmä. Protokollan tarkoituksena on neuvotella kommunikaation osapuolille yhteinen jaettu salaisuus joka on yleensä käytännössä luku. Tämän 18 avulla pystytään suorittamaan salaus ja salauksen purku ja tällä estetään kolmatta osapuolta pääsemästä käsiksi salattuun tietoon. (Diffie & Hellman, 1976). Protokolla toimii siten, että kahden tahon, a ja b, halutessa kommunikoida keskenään, neuvottelevat he ensin kaksi suurta alkulukua. Nämä luvut, p ja g, ovat julkisia. Tämän jälkeen molemmat valitsevat yksityisen avaimen, eli suuren luvun (a ja b), jonka pitävät salassa. Molemmat osapuolet laskevat näiden avulla itselleen julkisen avaimen seuraavilla kaavoilla: A = g^a \mod p ja B = g^b \mod p. Laskennan jälkeen nämä avaimet vaihdetaan. Jaettu salaisuus saadaan laskettua tämän jälkeen vastinparin julkisesta avaimesta käyttämällä apuna omaa yksityistä avainta. (Taparia et al., 2017). Diffie-Hellman protokollaa käytetään esimerkiksi avaimenvaihtoon, jonka jälkeen siirrytään käyttämään AES-salausta Lisäksi sitä käytetään TLS/SSL yhteyksissä ja usein esimerkiksi VPN-yhteyksissä. Sitä käytetään myös viestien vaihtoon ja sitä pidetään yhtenä nykyaikaisen salauksen kulmakivenä. 3.2.4 Kryptografiset tiivistesumma-algoritmit Kuten edellä mainittiin, kryptografisen tiivistesumma-algoritmin on tarkoitus tuottaa digitaalisen tiedoston sormenjälki. Tähän liittyen sen toiminnalle voidaan katsoa muutamia vaatimuksia. Ensinnäkin tiivistesuummaan liittyvän laskutoimituksen tulisi olla helppo suorittaa. Samaan aikaan, sen murtamisen tulisi olla jälkikäteen mahdollisimman hankalaa. Lisäksi sen tulisi tuottaa tulos, jonka duplikaatin laskeminen on erittäin epätodennäköistä. (Gligorski, ym, 2011). Tiivistesummia käytetään esimerkiksi paikallisissa tiedostojärjestelmissä, ohjelmistopakettien jakelussa, datan luotettavuuden tarkistuksessa ja digitaalisissa allekirjoituksissa. Tiivistesumma ei toimi salauksena tietoturvan näkökulmasta, mutta sen perusteella voidaan varmistua esimerkiksi tiedoston muuttumattomuudesta tai viestin allekirjoituksesta. (Gligorski, ym. 2011). Esimerkkinä tiivistesumma-algoritmista voidaan nostaa SHA-1, joka julkaistiin vuonna 1995. Kyseistä algoritmia on käsitelty FIPS PUB 180-1 julkaisussa, jossa kuvataan sen matemaattinen puoli, sekä kerrotaan implementaatiosta. Algoritmi tuottaa viestille, joka on < 2⁶⁴ bittiä pitkä, tiivisteen. Tiiviste on 160 bittiä ja sitä käytetään viestin allekirjoittamisen yhteydessä. SHA-1 on tarkoitus käyttää DSA (Digital Signature Algorithm) kanssa. (FIPS 180-1, 1995). 19 Luku keskittyy kuvaamaan tutkielmaan liittyvän tutkimusmenetelmän, tieteelliset metodit ja keskeiset kysymykset. Luku avaa tutkielman tekoon liittyvän prosessin. Luku käsittelee myös aineiston valintaan ja rajaukseen liittyviä asioita. 4.1 Tutkimustehtävä Tutkimuksen tavoitteena on selvittää, miten NIST PQC -projekti on edennyt, mitkä ovat sen keskeiset tulokset ja miten näitä voidaan soveltaa suojauduttaessa kvanttilaskennan kehitykseen liittyviltä uhilta salausratkaisuiden osalta. NIST PQC –projekti on käynnistetty vuonna 2016 ja sen tavoitteena on löytää yksi tai useampi kvanttilaskennan kestävä algoritmi standardoitavaksi. NIST on käynnistänyt projektin, koska viime vuosina otetut harppaukset kvanttilaskennan kehityksessä ovat nostaneet aiheen erityisen tärkeäksi ja ajankohtaiseksi. Dokumentaationsa mukaan NIST kokee velvollisuudekseen olla osana kehitystyötä, jossa standardoidaan tulevaisuudessa käytettäviä salausratkaisuita. NIST on ollut keskeisessä roolissa jo aikaisemmin useiden salaukseen liittyvien standardien luomiseen liittyen. Tutkimusongelma: - Mitkä ovat keskeisimmät tulokset NIST PQC projektissa 9/2024 mennessä? • Miten näitä tuloksia voidaan soveltaa nykyisin käytössä oleviin järjestelmiin suojauduttaessa kvanttilaskennan kehityksen liittyviltä uhilta? • Mitä asioita on vielä ratkaisematta uhkiin liittyen? Peruslähtökohtana tutkimuksessa on selvittää, mikä on kvanttilaskennan muodostamaan uhkaan varautumiseen liittyvän standardoinnin tämän hetkinen 4 TUTKIMUSMENETELMÄ 20 tila ja lähitulevaisuus. Tällä pyritään selkeyttämään sitä, millä eri tavoilla yritykset ja muut tahot voivat suojautua kvanttilaskennan muodostamalta uhalta salaukseen liittyen. Jotta selkeä kuva on muodostettavissa, on pyrittävä vastaamaan edellä mainittuihin kysymyksiin. Tähän pyritään perehtymällä aikaisempaan tutkimukseen, NIST PQC projektin raportointiin ja dokumentaatioon, sekä muuhun aiheeseen keskeisesti liittyvään kirjallisuuteen. Kvanttilaskennan kestävien algoritmien tutkimusta ja kehittelyä suoritetaan tällä hetkellä maailmanlaajuisesti ja lisäksi esimerkiksi euroopalla, yhdysvalloilla ja muilla maantieteellisillä alueilla on käynnissä tähän liittyviä projekteja. NIST PQC projekti on valikoitunut tutkielman kohteeksi, koska se on tällä hetkellä pisimmälle viety ja selkeiten dokumentoitu projekti PQC-algoritmien standardointiin liittyen. NIST on myös saavuttanut globaalisti aseman tahona, jonka standardit, ohjeet ja suositukset tunnustetaan ja arvostetaan maailmanlaajuisesti. NIST on aloittanut toimintansa PQC –projektiin liittyen vuonna 2016, mutta asiaa käsiteltiin jo vuonna 2015 aiheeseen liittyvässä konferenssisa. NIST on onnistunut myös aikaisemmin kokoamaan vastaaviin projekteihin liittyen alan ammattilaiset kilvoittelemaan parhaan salausratkaisun luomisesta, minkä tuloksena on saatu standardoitua laajalti käytössä olevia ratkaisuita. Tutkimuskysymykseen “Mitkä ovat keskeisimmät tulokset NIST PQC projektissa 9/2024 mennessä?” on tutkimuksen pääkysymys. Siihen vastataan tutkimuksen alakysymysten vastausten kautta. Alakysymysten vastausten pohjalta pyritään muodostamaan johtopäätökset, joiden kautta kyetään vastaamaan pääkysymykseen. Tutkimuskysymykseen “Miten näitä tuloksia voidaan soveltaa nykyisin käytössä oleviin järjestelmiin suojauduttaessa kvanttilaskennan kehitykseen liittyviltä uhilta?” vastaamiseksi eritellään projektin raporteissa esitellyt tulokset ja niihin liittyvät johtopäätökset. Näiden pohjalta pyritään tunnistamaan jo nyt käytössä olevat kyvykkyydet suojautumiseen ja myös ne, jotka ovat vielä kehitteillä. Kysymykseen “Mitä asioita on vielä ratkaisematta uhkiin liittyen?” vastataan käymällä läpi raporteissa ja aikaisemmassa tutkimuksessa esille nostettuja uhkia ja vertaamalla niitä saatuihin tuloksiin. Analyysi kyetään tekemään tarkastelemalla niitä uhkia, joiden torjumiseksi ei vielä ole saatu ratkaisua. Tutkimuksen tavoitteena on perehtyä aihepiiriin ja muodostaa selkeä käsitys alaan, NIST PQC –projektiin ja alan tulevaisuuteen liittyen. 4.2 Tutkimuksen rajaukset ja tutkimusmenetelmät Tutkimus on rajattu käsittelemään kvanttilaskennan kestäviä algoritmeja (PostQuantum Algorithms, Quantum Resistant Algorithms). Tämä tarkoittaa sitä, että tutkimus ei käsittele ratkaisuja, joissa vaaditaan kvanttilaskentaa tai muita, ei vielä käytössä olevia teknologioita. Tämä tarkoittaa myös sitä, että tutkimus ei 21 käsittele niin kutsuttuja hybridialgoritmejä, joissa on yhdistetty kvanttilaskennan kestäviä ominaisuuksia tavanomaisiin algoritmeihin. Tutkimus keskittyy NIST PQC standardointiin tähtäävän projektin tulosten ja raporttien läpikäyntiin. Lisäksi tutkimukseen sisällytetään tarvittavilta osin muuta aihepiiriin liittyvää tutkimusta. Projektin dokumentaatio ja julkaisut toimivat pohjana erityisesti projektiin liittyvissä luvuissa, kun taas teoriaosuus ja pohja tutkimukselle pyritään hankkimaan akateemisen tutkimuksen kautta Tutkimus rajataan ajallisesti käsittelemään ennen 9/2024 julkaistuja raportteja ja aineistoa. Rajaus on tehty siksi, että standardointiprojekti on edelleen käynnissä ja tutkimuksen kannalta on järkevintä rajata aineisto ajallisesti näin. Tutkimuksessa keskitytään projektin taustan, vaiheiden ja tulosten kuvaamiseen. Tutkimuksessa esitetään salausratkaisuiden matemaattista taustaa siltä osin kuin se on tarpeen ja perusteltua esimerkiksi käsiteltävän ilmiön tai ratkaisun kannalta. Matemaattinen tausta ei kuitenkaan ole keskiössä, joten sen teoria ja taustoittaminen rajataan tutkimuksen ulkopuolelle. Aihepiirin luonteen vuoksi tutkimuksessa käsitellään myös osin matemaattista pohjaa salausalgoritmeihin liittyen. Matemaattinen puoli on rajattu kuitenkin käsittelemään vain niitä asioita, jotka ovat välttämättömiä aiheen ymmärtämisen vuoksi. Tutkimuksen tavoitteena on selvittää, kuvailla ja analysoida aihepiiriä, eikä matemaattisen taustan tai ongelmien syvällinen läpikäynti ole tarpeen. Tämä sama rajaus koskee myös kvanttilaskennan fysikaalisia ominaisuuksia ja taustaa. Toteuttamani pro gradu -työ on laadullinen (kvalitatiivinen) sisältöanalyysi. Tiedonkeruumenetelmänä käytetään perehtymistä julkaistuihin tietoaineistoihin. Analyysimenetelmänä käytetään sisältöanalyysiä. Sisältöanalyysi on toteutettu aineistolähtöisesti. Tämä tarkoittaa, että aineistosta on pyritty löytämään keskeiset aihepiiriin liittyvät asiat, jotka on nostettu tutkimuksen. Tutkimus toteutettiin tapaustutkimuksena. Tapaustutkimuksessa pyritään perehtymään rajattuun tapaukseen syvästi ja ymmärtämään siihen liittyviä ilmiöitä. Tutkimuksene liittyvä tapaus on NIST PQC projekti. 4.3 Teoria ja aineisto Tutkimukseen liittyvät perusteet ja teoria on toteutettu kirjallisuuskatsauksena. Kirjallisuuskatsaukseen liittyen pyrittiin kartoittamaan aiheeseen liittyvät keskeisimmät julkaisut. Tämä tapahtui toteuttamalla hakuja esimerkiksi IEEE, Google Scholar ja JYUDOK tietokantoihin. Hakuja pyrittiin rajaamaan mahdollisimman relevanteilla hakutermeillä, mutta tämän jälkeen suoritettiin myös lähteiden karsintaa valitsemalla vain aihepiiriin liittyviä lähteitä. Hakusanoina käytettiin esimerkiksi: - Post-Quantum Algorithm - Quantum Resistant Algorithm - Post-Quantum Cryptography 22 - NIST Post-Quantum - Quantum Resistant Cryptography Vaikka hakutuloksia oli reilusti, oli rajausta tehtävä näiden osalta vielä melko paljon. Tämä johtui siitä, että merkittävä osa tuloksista ei liittynyt varsinaiseen tutkimuskysymykseen tai edustanut selkeästi aihepiiriä. Salaukseen liittyvää tutkimusta on tehty paljon, mutta useissa tilanteissa se koskee rajattua tapausta tai esimerkiksi tiettyä teknistä ratkaisua. Tällaiset lähteet eivät tukeneet tutkimuksen tavoitteita, joissa tarkoituksena oli löytää kokonaisvaltaisempia vastauksia. Hakuihin liittyen nousi esille myös paljon tutkimusta, joka sisältää viittauksia aihepiiriin, mutta ovat pääpainoltaan eri aiheeseen liittyviä. Tällaisia olivat esimerkiksi lohkoketjuihin ja kryptovaluuttoihin liittyvät tutkimukset. Nämä rajattiin aineiston ulkopuolelle. Toisaalta hakujen lisäksi aineistoa löydettiin tutustumalla materiaalista löytyviin primäärilähteisiin. Tätä kautta saatiin parannettua lähteiden luotettavuutta. Tutkimuksen kohteena olevaan NIST projektiin liittyvänä materiaalina käytettiin projektin omaa raportointia. Prosessiin liittyen NIST tarjoaa dokumentaation projektin alusta tähän hetkeen saakka kaikkien saataville. Koska tarkoituksena on tutkia nimen omaisesti NIST PQC –projektin etenemistä, tämä aineisto muodostaa keskeisen osan tutkimukselle. Dokumentaation lisäksi pyrittiin löytämään myös lähteitä, joissa käydään läpi NIST PQC -projektin tuloksia ja dokumentaatiota. 4.4 Aineiston ja tutkimusmenetelmien luotettavuus Aineiston ja tutkimusmenetelmien osalta on pyritty luotettavuuteen kriittisen tarkastelun avulla. Lähteiden osalta on pyritty varmistamaan niiden luotettavuus käyttämällä luotettavia julkaisualustoja ja tietokantoja. Lisäksi on pyritty käyttämään primäärilähteitä siltä osin, kuin se on ollut mahdollista. Lähteiden osalta on myös pyritty monipuolisuuteen, jotta esimerkiksi yksipuolisten lähteiden tuomaa vääristymää voitaisiin välttää. Luotettavuuteen pyrittiin myös pyrkimällä mahdollisimman läpinäkyvään tapaan käsitellä tausta-aineistoa NIST PQC –projektiin liittyen. Koska aihe oli selkeästi rajattu, eikä tutkimus sisältänyt esimerkiksi haastattelua tai vastaavaa, pieneni tutkimukseen liittyvän vääristymän riski. Salausalgoritmien ja kvanttilaskennan vaativan matemaattisen luonteen vuoksi tutkimuksen aikana haasteen on luonut myös se, miten varmistetaan kirjoittajan tarpeeksi laaja ymmärrys tutkittavasta aihepiiristä osaamisen lähtötason ollessa rajallinen. Koska kirjoittajalla ei ole matematiikan tai fysiikan taustaa tai kokemusta aihepiiriin liittyen, on aiheeseen perehtymisessä pitänyt käyttää erityistä harkintaa lähteiden ja menetelmien suhteen. Tähän liittyvät ongelmat pyrittiin minimoimaan rajaamalla tutkimuksen ulkopuolelle matematiikkaan ja fysiikkaan liiittyvät kokonaisuudet, ja keskittymällä ilmiön kuvaamiseen ja ymmärtämiseen. 23 National Institute of Standards and Technology (NIST) on Yhdysvaltojen kauppaministeriön (U.S. Department of Commerce) alainen instituutio. Sen tarkoituksena on edistää Yhdysvaltojen innovaatioihin ja kilpailukykyyn liittyviä asioita tieteen, standardien ja teknologian kautta. NIST on alun perin perustettu vuonna 1901 ja se on yksi maan vanhimmista tieteellisistä laboratorioista. Laitoksen historiaan on mahtunut useita erilaisia virstanpylväitä, joista voidaan nostaa esimerkiksi DES (Data Encryption Standard) salausstandardin vuonna 1997. (NIST, 2024). NIST:n toiminta on jaettu useisiin laboratorioihin aihealueiden perusteella. Nämä ovat: • Communications Technology Laboratory • Engineering Laboratory • Iformation Technology Laboratory • Material Measurement Laboratory • NIST Center for Neutron Recearch • Physical Measurement Laboratory Laboratoriot suorittavat tehtäviään aihealueisiinsa liittyen. Nämä laboratoriot toimivat laboratorio-ohjelman alaisuudessa. Tutkimuksen lisäksi NIST myös julkaisee informaatioteknologiaan liittyen standardeja ja ohjeistuksia. Tässä tutkimuksessa käsitellään erityisesti NIST:n julkaisemia FIPS (Federal Information Processing Standards Publication) ja SP (Special Publication) -dokumentteja. FIPS –dokumentit ovat standardeja informaatioteknologiaan liittyen. SP –dokumentit taas ovat ohjausdokumentteja (guidance, SP 800) ja ohjeita (practice guide, SP 1800). NIST julkaisee näitä esimerkiksi salausalgoritmeihin liittyen, kuten PQC –projektiin liittyvät FIPS 203, 204, 205, jotka julkaistiin elokuussa 2024. (NIST, 2024). Tässä tutkimuksessa keskitytään käsittelemään NIST PQC –projektiin liittyviä dokumentteja ja julkaisuita. Näistä keskeisimmät ovat: 5 NIST PQC –PROJEKTI 24 Sarja Otsikko Julkaisu FIPS 203 Module-Lattice-Based Key-Encapsulation Mechanism Standard 13.8.2024 FIPS 204 Module-Lattice-Based Digital Signature Standard 13.8.2024 FIPS 205 Stateless Hash-Based Digital Signature Standard 13.8.2024 IR 8413 Status Report on the Third Round of the NIST Post-Quantum Cryptography Standardization Process 29.9.2022 IR 8309 Status Report on the Second Round of the NIST Post-Quantum Cryptography Standardization Process 22.7.2020 IR 8240 Status Report on the First Round of the NIST Post-Quantum Cryptography Standardization Process 31.1.2019 IR 8105 Report on Post-Quantum Cryptography 28.4.2016 Taulukko 1 NIST PQC -prosessin aikana julkaistut dokumentit NIST PQC –projektin sivustolla listattuna (NIST, 2024) Lisäksi käsitellään esimerkiksi Call for Propolsals dokumenntia vuodelta 2016, jonka avulla kutsuttiin tutkijoita osallistumaan prosessiin. 5.1 NIST PQC -projektin tausta Vuonna 2015 NIST piti konferenssin, jossa käsiteltiin kvanttilaskentaan liittyviä uhkia ja selvitystä, jota siihen liittyen on tehty. Samalla keskusteltii standardoinnin ja kehitystyön tarpeesta. NIST julkaisi vuonna 2016 raportin “Report on Post-Quantum Cryptography”, jossa tutkijat esittelivät kvanttilaskennan kestävien salausratkaisuiden periaatteita ja kvanttilaskennan kehitystä. Raportissa korostetaan, että salauksen keskeisimmät pilarit ovat kvanttilaskennan kehityksen myötä vaarassa. Nämä kolme ovat: julkisen avaimen salaus, digitaaliset allekirjoitukset ja avaimenvaihto (key exchange). Raportti korostaa, että edellä mainittujen implementaatiot Diffie-Hellman avaimenvaihdossa, elliptisen kaaren ja RSA-salauksen muodossa, joka on tällä hetkellä todella yleistä, on kvanttilaskennan myötä vaarassa. Raportissa myös todetaan, että nykyisistä algoritmeista tulisi kyetä siirtymään pois seuraavan kymmenen vuoden aikana. Koska ratkaisua ei vielä ole valmiina, suositeltiin organisaatioita valmistautumaan tähän siirtymään, jotta ratkaisun löytyessä siirtymä voidaan käynnistää nopeasti. (NISTIR 8105, 2016). Raportissa todettiin, että esimerkiksi AES –salauksen osalta tarvitaan jatkossa suurempia avaimia ja SHA-tiivistesummien osalta suurempia tulosteita. Julkisen avaimen salausratkaisut, kuten RSA ja ECDSA, todetaan suuritehoisten 25 kvanttitietokoneiden myötä sellaisenaan turvattomiksi. Koska ongelma on niin suuri, todetaan raportissa tärkeäksi se, että NIST aloittaa aiheen parissa työskentelyn. (NISTIR 8105, 2016). NISTIR 8105 raportin julkaisun jälkeen julkaistiin virallinen kutsu osallistua prosessiin (Call for Proposals), jossa myös määriteltiin tarkat kriteerit osallistuvien algoritmien osalta. Dokumentissa määriteltiin esimerkiksi dokumentaatioon liittyviä seikkoja ja se, että esitettyyn ratkaisuun ei saanut liittyä käytön osalta lakiteknisiä rasitteita. Samalla annettiin myös ohjeet esitysten palauttamiseen ja formaatteihin liittyen. Kutsussa kerrottiin prosessin tarkoituksena olevan kvanttilaskennan kestävien ratkaisuiden kehittäminen nykyisin käytössä olevien standardien tilalle. (NIST, Call for Proposals, 2016). Kutsussa rajataan ehdotettavia ratkaisuita koskemaan avaintenvaihtoa, salausta ja allekirjoitusta. Tämän lisäksi prosessin ulkopuolelle rajataan niin kutsutut hybridi algoritmit, joissa yhdistetään tavanomaista salausta ja kvanttilaskennan kestäviä algoritmeja. Prosessiin esitettävän ratkaisun on myös oltava tavanomaisella, nykyisin käytössä olevalla tietokoneella toteutettavissa. Tämä on tärkeää, koska tarkoituksena on ratkaista käytössä olevilla laitteilla käytett Kutsussa (NIST, 2016) määritellään tarkasti, mitä palautettavan ehdotuksen tulee sisältää, esimerkiksi: Each submission package shall describe a collection of algorithms, also called a cryptosystem or cryptographic scheme, that implements one or more of the following functionalities: public-key encryption, key encapsulation mechanism1 (KEM), and digital signature. Public-key encryption schemes shall include algorithms for key generation, encryption, and decryption. KEM schemes shall include algorithms for key generation, encapsulation, and decapsulation. Digital-signature schemes shall include algorithms for key generation, signature generation and signature verification. Ehdotuksen palautuspäiväksi määritettiin 30.10.2017 ja että tämän jälkeen palautetut ehdotukset on rajattu prosessin ulkopuolelle. 32 6.2 FIPS 204 – ML-DSA FIPS 204 “Module-Lattice-Based Digital Signatue Algorithm” -standardi kuvaa CRYSTALS-DILITHIUM -kandidaatin pohjalta muodostetun ML-DSA algoritmin. Kyseessä on kokonaisuus, joka sisältää algoritmin avaimen luontiin, allekirjoituksen luontiin ja allekirjoituksen verifiointiin. Standardissa kuvataan matemaattinen perusta ja algoritmit, joiden pohjalta ML-DSA voidaan ottaa käyttöön. Algoritmin suojaus perustuu ML-KEM tapaan MLWE –ongelman ratkaisemisen haasteisiin. Algoritmin uskotaan olevan turvassa kvanttilaskennan uhilta, vaikka hyökkääjä käyttäisi suuritehoiseen laskentaan pystyvää konetta. Sen nähdään myös olevan vahvasti suojattu väärentämiseltä. Yksityinen avain Julkinen avain Allekirjoitus ML-DSA-44 2560 1312 2420 ML-DSA-65 4032 1952 3309 ML-DSA-87 4896 2592 4627 Taulukko 5 ML-DSA algoritmien avainten ja allekirjoitusten koot bitteinä parametrikategorioittain ML-DSA koostuu kolmesta pääalgorimista. Nämä ovat ML-DSA.KeyGen, ML-DSA.Sign ja ML-DSA.Verify. NIST:n testauksen ja dokumentaation mukaan ML-DSA on vahvasti suojattu väärentämiseltä chosen message -hyökkäystä vastaan. Standardissa esitetään kolme parametrikategoriaa, joiden avulla voisaan saavuttaa turvallisuustasot 2, 3 ja 5. Parametrikategorioihin viitataan nimen kautta: ML-DSA-44, ML-DSA-65 ja ML-DSA-87. FIPS 204 antaa jokaiselle näistä parametrit useiden muuttujien osalta. Näiden parametrien vaikutus avainten ja allekirjoituksen kokoon on kuvattu taulukossa 5. 6.3 FIPS 205 – SLH-DSA FIPS 205 (2024) “Stateless Hash-Based Digital Signature Standard” (SLH-DSA) standardi kuvaa tiivistepohjaisen digitaalisen allekirjoituksen standardin. SLHDSA on muodostettu SPHINKS+ -kandidaatin pohjalta. Standardoitua digitaalisen allekirjoituksen menetelmää voidaan käyttää suojaamaan, verifioimaan ja varmistamaan viestin alkuperä. Standardissa esitetään perusteet avaimen luontiin, allekirjoituksen luontiin ja allekirjoituksen verifiointiin. Standardiin liittyen 33 digitaalisten allekirjoitusten käyttöön liittyy myös SP 800-89 “Recommendation fo Obtaining Assurances for Digital Signature Applications”. (FIPS 205, 2024). Digitaalisen allekirjoituksen algoritmin avulla voidaan todistaa allekirjoitetun datan luottamuksellisuus ja allekirjoittajan identiteetti. Prosessissa käytetään yksityistä avainta, joka on salainen, ja julkista avainta. Viestin allekirjoittaja voi tarkistaa sen allekirjoituksen käyttämällä lähettäjän julkista avainta. Allekirjoituksia käytetään esimerkiksi viestinvaihdossa, ohjelmistojen jakelussa ja valuutan siirroissa. (FIPS 205, 2024). Turvallisuustaso PK koko Allekirjoituksen koko SLH-DSA-SHA2-128s 1 32 7856 SLH-DSA-SHAKE-128s SLH-DSA-SHA2-128f 1 32 17088 SLH-DSA-SHAKE-128f SLH-DSA-SHA2-192s 3 48 16224 SLH-DSA-SHAKE-192s SLH-DSA-SHA2-192f 3 48 35664 SLH-DSA-SHAKE-192f SLH-DSA-SHA2-256s 5 64 29792 SLH-DSA-SHAKE-256s SLH-DSA-SHA2-256f 5 64 49856 SLH-DSA-SHAKE-256f Taulukko 6 SLH-DSA algoritmin avainten koot bitteinä parametrikategorioittain SLH-DSA toteutuksessa käytetään kahta muuta tiivistepohjaista allekirjoitusta, joiden pohjalta muodostetaan uusi, standardin mukainen allekirjoitus. Ensimmäinen algoritmi on FORS (Forest of Random Subsets) ja toinen XMSS (eXtended Merkle Signature Scheme). Viestin tiivistesummaa käytetään apuna valitsemaan sattumanvarainen FORS –algoritmin avulla luotu avainpari. Tämän jälkeen autentiin liittyvän informaation luontiin käytetään XMSS –algotimia. SLH-DSA:n parametrien osalta voidaan saavuttaa turvatasot 1, 3 ja 5. Taulukossa 6 esitetään eri parametrikategorioiden turvallisuustasot, julkisen avaimen koko ja allekirjoituksen koko. Standardi tarjoaa mahdollisuuden käyttää jokaisessa parametrikategoriassa joko SHA-2 tai Keccak (SHA-3) pohjaista ratkaisua. (FIPS 205, 2024). 34 Tämän tutkimuksen tarkoituksena ja tavoitteena oli perehtyä kvanttilaskennan kestävien salausalgoritmien standardoinnin tilanteeseen NIST PQC –projektin kautta. Tarkoituksena oli selvittää projektin etenemistä, sen vaiheita, arviointikriteereitä ja tuloksia. Tutkimuksen tavoitteena oli luoda ymmärrys projektin tuloksista ajallisen rajauksen puitteissa. Ajallinen rajaus asetettiin syksyyn 2024. Tutkimukseen liittyen perehdyttiin aiheeseen liittyvään tutkimukseen ja teoriaan. Tämä tapahtui tieteelliseen tutkimukseen liittyvien tietokantojen, kuten IEEE ja JYUDOK, kautta. Aihepiiriin liittyvää tutkimusta etsittiin aihepiiriin liittyvin hakusanoin ja –termein. Tuloksien osalta rajattiin ulkopuolelle aiheeseen liittymättömät tulokset, kuten kryptovaluuttoihin tai kvanttialgoritmeihin liittyvät tutkimukset. Keskeisen osan tutkimuksen aineistosta muodostivat NIST PQC –projektin julkaistut dokumentit. Näitä olivat esimerkiksi raportit kierroksiin liittyen ja erilaiset standardit. Aineistoksi valikoitui myös projektin dokumentaatiossa mainittuja asiakirjoja ja standardeja, jotka liittyvät merkittävällä tavalla tutkittuun aiheeseen. Tutkimuksen tavoitteeseen pyrittiin pääsemään muodostamalla päätutkimuskysymys ja sen alakysymykset, joihin vastaamalla kyetään muodostamaan laajempi ymmärrys pääkysymykseen liittyen. Tutkimuksen pääkysymys on seuraava: • Mitkä ovat keskeisimmät tulokset NIST PQC projektissa 9/2024 mennessä? Tutkimusta tukevat alakysymykset ovat seuraavat: • Miten näitä tuloksia voidaan soveltaa nykyisin käytössä oleviin järjestelmiin suojauduttaessa kvanttilaskennan kehityksen liittyviltä uhilta? 7 TUTKIMUSTULOKSET, POHDINTA JA JOHTOPÄÄTÖKSET 35 • Mitä asioita on vielä ratkaisematta uhkiin liittyen? Tässä luvussa käydään läpi tutkimuksen perusteella muodostetut vastaukset yllä mainittuihin kysymyksiin. 7.1 Yhteenveto NIST PQC –projekti käynnistettiin vuonna 2015 järjestettyjen seminaarien pohjalta ja sen virallinen kutsu lähetettiin vuonna 2016. Projektin motivaationa oli löytää kvanttilaskennan kestäviä algoritmeja, joiden standardoiminen ja implementoiminen olisi mahdollista lähitulevaisuudessa. Projektin tavoitteeksi asetettiin löytää yksi tai useampi ehdot täyttävä ratkaisu, joka voidaan standardoida. Projektiin liittyvät arviointikriteerit muotoutuivat vuonna 2016 ja ne ilmoitettiin virallisessa kutsussa. Projektiin osallistumiseen ja palautukseen liittyen määritettiin formaatit dokumentaation ja palautettavien tuotteiden osalta. Lisäksi määritettiin palautus ajankohta ja esimerkiksi sopimuksellisiin tai juridisiin seikkoihin liittyviä rajoitteita. Itse esitettävään ratkaisuun liittyen ilmoitettiin kolme keskeistä arviointikohdetta: suoja, kustannus ja algoritmin sekä implementaation ominaisuudet. Ensimmäiseen kierrokseen osallistui 82 ehdotusta, joista 69 täytti esikarsinnan jälkeen kriteerit osallistumiseen. Näiden osalta suoritettiin arviointia, jonka perusteella toiselle kierrokselle siirrettiin 26 kandidaattia. Näiden osalta raportoitiin ensimmäisen kierroksen tuloksista ja kandidaattien ominaisuuksia arvioitiin myös kirjallisesti. Ensimmäinen kierros saatiin päätökseen vuonna 2019. Toisen kierroksen alussa osa esityksistä sulautettiin käytännön syistä toisiinsa ja arvioinnin alkaessa jäljellä oli 17 kandidaattia. Ensimmäisen kierroksen tapaan arvioinnin jälkeen julistettiin tulokset. Toisen kierroksen perusteella siirrettiin finaaliin 7 kandidaattia ja jatkokehitykseen 8. Toinen kierros saatiin päätökseen vuonna 2020. Kolmannen kierroksen aikana kehitystä ja arviointia jatkettiin. Kierroksen perusteella päädyttiin valitsemaan kolme ratkaisua standardointiin ja neljä ratkaisua jatkokehitykseen. Standardien osalta julkaistiin kierroksen jälkeen esitykset (draft). Neljännen kierroksen aikataulu on vielä epäselvä. Kolmannen kierroksen perusteella standardointiin valitut ratkaisut julkaistiin elokuussa 2024 standardeina FIPS 203 (ML-KEM), FIPS 204 (ML-DSA) ja FIPS 205 (SLH-DSA). NIST ilmoitti suosittelevansa organisaatioita käynnistämään julkaistujen standardien implementoinnin. 36 7.2 Tulokset Päätutkimuskysymyksen “Mitkä ovat keskeisimmät tulokset NIST PQC projektissa 9/2024 mennessä?” osalta voidaan tutkimuksen perusteella todeta, että kolmen standardin saavuttaminen vuonna 2024 on merkittävin tulos projektin osalta. Kyseisten standardien oletetaan kykenevän torjumaan omalta osaltaan siirtymää kvanttilaskennan aikaan. Julkaistujen standardien avulla voidaan käynnistää siirtymä implementoimalla kyseisten standardien mukaiset salausratkaisut nyt käytössä oleviin järjestelmiin. Merkittävänä saavutuksena voidaan pitää myös sitä, että projektin kautta saatiin karsittua yli kahdeksankymmenen ehdotuksen joukosta kolmen standardin lisäksi neljä jatkokehiteltävää ratkaisua. Näiden osalta on myöhemmin mahdollista standardoida mahdollisesti tarvittavia malleja jatkokehityksen myötä. Kysymyksen “Miten näitä tuloksia voidaan soveltaa nykyisin käytössä oleviin järjestelmiin suojauduttaessa kvanttilaskennan kehityksen liittyviltä uhilta?” osalta keskeisimpinä tuloksina voidaan todeta, että kaikki julkaistut ratkaisut ovat implementoitavissa nykyisin käytössä oleviin järjestelmiin. Standardien mukaisten ratkaisuiden implementointi vaatii toki esimerkiksi hieman enemmän suorituskykyä joissain tilanteissa, mutta nämä muutokset aikaisemmin käytössä olleisiin ratkaisuihin eivät ole merkittäviä. Esimerkiksi FIPS 203 mukainen MLKEM on nyt hyväksytty vaihtoehto SP 800-56A ja SP 800-56B julkaisuissa määritellylle KEM-mallille. FIPS 204 ja FIPS 205 osalta kyseiset standardit ovat nyt hyväksyttä FIPS 186-5 standardin mukaisesti käytettävksi vaihtoehdoiksi. Kolmannen kysymyksen, “Mitä asioita on vielä ratkaisematta uhkiin liittyen?”, osalta voidaan tutkimuksen perusteella todeta, että edelleen tarvitaan jatkokehitystä ja testausta kvanttilaskennan kestävien salausratkaisuiden osalta. NIST toteaa standardeissaan, että niiden “uskotaan olevan kvanttilaskennan kestäviä”. Tämä johtuu siitä, että esitetyt ratkaisut ovat lopun perin edelleen kvanttilaskennalla testaamatta. Ratkaisuiden kestävyyden arviointiin on käytetty tällä hetkellä saatavilla olevaa tietoa, osaamista ja teknologiaa. On siis mahdollista, että näihin joudutaan vielä tekemään muutoksia, mikäli esimerkiksi havaitaan jonkinlainen haavoittuvuus tai virhe suunnittelussa. Sama voi tulla kyseeseen, mikäli kvanttilaskennan kehitys ottaa ennakoitua suurempia harppauksia ja näin ollen saavuttaa suuremman tehon kuin odotettiin. Tutkimuksen johtopäätöksenä voidaan todeta, että projektin tuloksena on saatu suoritettua merkittävää tutkimusta kvanttilaskennan kestäviin salausratkaisuihin liittyen. Tutkimuksen pohjalta julkaistut tulokset, standardit ja dokumentaatio, tulevat luultavasti olemaan merkittävässä roolissa PQC -siirtymään liittyen. NIST on myös onnistunut luomaan pohjan kehitystyölle, jonka pohjalta 37 tullaan luultavasti näkemään myös muita tuloksia tulevina vuosina asiaan liittyen. Merkittävänä voidaan nähdä myös julkinen työskentely ja se, että NIST onnistui tuottamaan PQC –standardit ensimmäisenä. 38 7.3 Johtopäätökset ja jatkotutkimus PQC –projektin dokumentaation ja aihepiiriin liittyvän tutkimuksen perusteella aiheen voidaan todeta olevan ajankohtainen ja kvanttilaskennan muodostaman uhan merkittävä, ajatellen tällä hetkellä käytössä olevia salausratkaisuita. Olemme vasta hetki sitten saavuttaneet tilanteen, jossa lähes kaikki kommunikaatio ja toiminta verkossa tapahtuu jollain tavoin salattuna. Tietoturvayhteisö on painottanut jo kauan salauksen tarvetta esimerkiksi verkkoyhteyksien ja datan suhteen. Kvanttilaskennan uhkaan havahduttiin jo 90-luvun puolivälissä Shorin algoritmin myötä. Sen jälkeen tehty työ on kantanut hedelmää ja siitä esimerkiksi NIST PQC –projekti on konkreettinen esimerkki. Samaan aikaan, kun suojautumisen keinoissa on otettu askeleita eteenpäin, on kvanttilaskennankin kehitys kiihtynyt. Arviot merkittävän laskentatehon saavuttamiseen menevästä ajasta vaihtelevat, mutta selvää on, että se tulevina vuosikymmeninä saavutetaan. NIST PQC –projektin myötä standardoidut ratkaisut ovat suuri askel matkalla kohti kvanttilaskennan jälkeistä aikaa. Standardit itsessään eivät meitä kuitenkaan vielä suojaa, vaan ne on otettava käyttöön. Tämän toteuttamiseksi on otettava myös muita askeleita. Yritysten ja organisaatioiden on esimerkiksi kartoitettava tämänhetkinen salausratkaisuidensa tilanne, suunniteltava siirtymänsä ja aloitettava se. Tämä vaatii merkittävän määrän osaamista ja työtä. Samaan aikaan, kun implementoimme nyt käsillä olevia ratkaisuita, on myös pidettävä katse tulevaisuudessa ja jatkettava tutkimustyötä. Kuten NIST ratkaisuistaan toteaa, niiden “uskotaan olevan kvanttilaskennan kestäviä”. Testauksen on jatkuttava ja kyky tehdä korjauksia on säilytettävä. Koska nykyisiä ratkaisuita ei ole kyetty testaamaan todellisella kvanttitietokoneella, on pidettävä virheiden mahdollisuus mielessä. Vaikka NIST on nyt standardoinut ensimmäiset kolme algoritmia, on esimerkiksi suomella mahdollisuus edelleen toimia alan ja kehityksen kärjessä. Suurvallat ja korkean teknologian osaajat tulevat edelleen kilpailemaan aiheen parissa ja tilaa innovaatioille on. Tutkimuksen osalta jatkokysymyksiä voisivat olla esimerkiksi nyt standardoitujen algoritmien implementointiin liittyvät kysymykset. Lisäksi edellä mainittu lisätutkimus kvanttilaskennan kestäviin salausratkaisuihin liittyen on varmasti aihe, josta riittää tutkittavaa. Tämän lisäksi merkittävää voisi olla tutkia aiheita Suomen kontekstissa. Esimerkiksi yritysten osaamisen, valmiuden ja asenteiden tutkiminen liittyen kvanttilaskennan jälkeiseen aikaan on tällä hetkellä avoin ja tutkimaton alue. Siirtymään liittyen tullaan tarvitsemaan osaamista ja tahtotilaa. 39 Tietoturvaan ja salaukseen liittyvän regulaation osalta tutkittavaksi voisi nousta myös se, minkälaista ohjausta ja regulaatiota tarvitaan valtiolliselta tasolta siirtymään liittyen. Esimerkiksi NIST, NSA ja muut Yhdysvaltojen viranomaiset ovat kehottaneet organisaatioita aloittamaan siirtymän ja valmistelut. Sama on tapahtunut suomessa Kyberturvallisuuskeskuksen ja HVO:n osalta. Nähtäväksi kuitenkin jää, miten proaktiivisia yritykset ja organisaatiot tulevat aiheen suhteen olemaan. 40 LÄHTEET Alagic, G., Alperin-Sheriff, J., Apon, D., Cooper, D., Dang, Q., Liu, Y.-K., Miller, C., Moody, D., Peralta, R., Perlner, R., Robinson, A., & Smith-Tone, D. (2019). Status report on the first round of the NIST post-quantum cryptography standardization process (NIST IR 8240; p. NIST IR 8240). National Institute of Standards and Technology. https://doi.org/10.6028/NIST.IR.8240 Alagic, G., Apon, D., Cooper, D., Dang, Q., Dang, T., Kelsey, J., Lichtinger, J., Liu, Y.-K., Miller, C., Moody, D., Peralta, R., Perlner, R., Robinson, A., & Smith-Tone, D. (2022). Status report on the third round of the NIST PostQuantum Cryptography Standardization process (NIST IR 8413-upd1; p. NIST IR 8413-upd1). National Institute of Standards and Technology (U.S.). https://doi.org/10.6028/NIST.IR.8413-upd1 Althobaiti, O. S., & Dohler, M. (2021). Quantum-Resistant Cryptography for the Internet of Things Based on Location-Based Lattices. IEEE Access, 9, 133185–133203. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3115087 Arman, Md. S., Mamun, S. A., & Jannat, N. (2024). A modified AES based approach for data integrity and data origin authentication. 2024 3rd International Conference on Advancement in Electrical and Electronic Engineering (ICAEEE), 1–6. https://doi.org/10.1109/ICAEEE62219.2024.10561750 Barker, W., Polk, W., & Souppaya, M. (2021). Getting Ready for Post-Quantum Cryptography: Exploring Challenges Associated with Adopting and Using Post-Quantum Cryptographic Algorithms. National Institute of Standards and Technology. https://doi.org/10.6028/NIST.CSWP.04282021 Bruze, E., Paskauskas, R. A., Piesarskas, E., Krilavicius, T., Versinskiene, E., Stankeviciute, S., Versinskas, D., & Cardarilli, M. (n.d.). Quantum as a disruptive technology in Hybrid Threats. Chen, L. (2017). Cryptography Standards in Quantum Time: New Wine in an Old Wineskin? IEEE Security & Privacy, 15(4), 51–57. https://doi.org/10.1109/MSP.2017.3151339 Chen, L., Jordan, S., Liu, Y.-K., Moody, D., Peralta, R., Perlner, R., & SmithTone, D. (2016). Report on Post-Quantum Cryptography (NIST IR 8105; p. NIST IR 8105). National Institute of Standards and Technology. https://doi.org/10.6028/NIST.IR.8105 Cheng, C., Lu, R., Petzoldt, A., & Takagi, T. (2017). Securing the Internet of Things in a Quantum World. IEEE Communications Magazine, 55(2), 116– 120. https://doi.org/10.1109/MCOM.2017.1600522CM 41 Elhao, A., Megahed, M. H., & Elsamahy, E. A. (2021). Towards Quantum Resistant Key Agreement Schemes Using Unpredictability. 2021 13th International Conference on Electronics, Computers and Artificial Intelligence (ECAI), 1–6. https://doi.org/10.1109/ECAI52376.2021.9515012 Ferraiolo, H. (2024). Cryptographic Algorithms and Key Sizes for Personal Identity Verification (NIST SP 800-78-5; p. NIST SP 800-78-5). National Institute of Standards and Technology. https://doi.org/10.6028/NIST.SP.800-78-5 Garcia, C. R., Aguilera, A. C., Olmos, J. J. V., Monroy, I. T., & Rommel, S. (2023). Quantum-Resistant TLS 1.3: A Hybrid Solution Combining Classical, Quantum and Post-Quantum Cryptography. 2023 IEEE 28th International Workshop on Computer Aided Modeling and Design of Communication Links and Networks (CAMAD), 246–251. https://doi.org/10.1109/CAMAD59638.2023.10478407 Garcia, C. R., Cano, A., Olmos, J. J. V., Rommel, S., & Monroy, I. T. (2024). Integrating Quantum Key Distribution into TLS 1.3: A Transport Layer Approach to Quantum-Resistant Communications in Optical Networks. Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2024, Th3B.3. https://doi.org/10.1364/OFC.2024.Th3B.3 Gligoroski, D., Knapskog, S. J., Amundsen, J., & Jensen, R. E. (2011). Internationally standardized efficient cryptographic hash function. Proceedings of the International Conference on Security and Cryptography, 426–433. https://ieeexplore.ieee.org/document/6732428/?arnumber=6732428 Grover, L. K. (1996). A fast quantum mechanical algorithm for database search. Proceedings of the Twenty-Eighth Annual ACM Symposium on Theory of Computing - STOC ’96, 212–219. https://doi.org/10.1145/237814.237866 Kansallisen turvallisuuden uhkat. (n.d.). Suojelupoliisi. Retrieved August 4, 2024, from https://supo.fi/kansallisen-turvallisuuden-uhkat Kaur, R., & Singh, R. P. (2014). Enhanced cloud computing security and integrity verification via novel encryption techniques. 2014 International Conference on Advances in Computing, Communications and Informatics (ICACCI), 1227–1233. https://doi.org/10.1109/ICACCI.2014.6968328 Kiviharju, M. (2017). On the fog of RSA key lengths: Verifying public key cryptography strength recommendations. 2017 International Conference on Military Communications and Information Systems (ICMCIS), 1–8. https://doi.org/10.1109/ICMCIS.2017.7956481 Koziel, B., Azarderakhsh, R., & Kermani, M. M. (2018). A High-Performance and Scalable Hardware Architecture for Isogeny-Based Cryptography. IEEE Transactions on Computers, 67(11), 1594–1609. https://doi.org/10.1109/TC.2018.2815605