MODULE m7 · 8.0 HOURS
Hybrid TLS 交握分析
LEARNING OBJECTIVES
本模組目標
- 說明量子威脅環境下 TLS 1.3 的脆弱性。
- 理解基於 ML-KEM 的混合 (Hybrid) TLS 交握結構。
- 在基於 OQS (Open Quantum Safe) 的本地環境中測量混合模式效能。
- 透過封包擷取分析傳統演算法與 PQ 演算法結合的交握過程。
混合 TLS 交握理論
現行的 TLS 1.3 依賴 ECDH (Elliptic Curve Diffie-Hellman) 等傳統公開金鑰密碼學，若足夠強大的量子電腦問世，此類加密將面臨被破解的風險 [S2]。作為應對，將 ML-KEM (Module-Lattice-Based Key-Encapsulation Mechanism) 等 NIST 標準後量子密碼 (PQC) 整合的研究正蓬勃發展 [S2]。
混合模式的安全假設
在完全遷移至 PQC 之前，為確保營運穩定性，使用結合傳統演算法與 PQ 演算法的『混合 (Hybrid) 模式』。此方法結合兩演算法的共享秘密 (Shared Secret)，設計上確保只要兩演算法中任一者安全，即可維持通訊機密性。
效能考量
TLS 1.3 交握效能直接依賴於 KEM 的計算成本 [S2]。特別是金鑰產生 (Key Generation)、封裝 (Encapsulation)、解封 (Decapsulation) 階段的運算效率決定了整體交握速度。近期已透過 AVX-512 等指令集最佳化，加速多項式乘法與模組化縮減，以提升交握效能的技術正被應用中 [S2]。
WORKED EXAMPLES
講解範例
- 範例 1：混合金鑰交換過程 - 用戶端將傳統共享秘密值與 PQC 封裝結果傳送給伺服器。伺服器在解封後，將兩組共享秘密結合至 KDF (Key Derivation Function) 以產生階段金鑰。
- 範例 2：交握延遲分析 - 比較 PQ 演算法應用時，因金鑰大小 (Key Size) 增加導致網路傳輸時間延長的現象。數值化性能最佳化 (例如 AVX-512 使用) 應用前後，每秒交握數 (Handshakes per second) 的差異 [S2]。
LAB PROTOCOL
基於 OQS 的混合 TLS 交握重現實驗
- 1
在隔離的 Docker 環境中建置整合 liboqs 與 oqs-provider 的 OpenSSL 3 建置環境。
- 2
設定既有的 ECDH 模式與 ML-KEM 基礎的混合模式 (如 secp256r1_mlkem768)。
- 3
利用本地回送 (Loopback) 介面執行兩模式間的 TLS 1.3 交握。
- 4
使用 Wireshark 擷取 ClientHello 與 ServerHello 訊息內部的金鑰交換資料欄位並進行分析。
- 5
利用執行時間測量腳本測量 100 次以上的交握平均時間，記錄混合模式的額外開銷 (Overhead)。
- 本實驗僅在本地環境的隔離回送介面執行，不產生對外網路流量。
- 絕不使用憑證、私鑰、使用者資料等營運安全資產。
- 學習用 OQS 函式庫為實驗工具，勿用於實際營運安全服務。
- 實驗結束時刪除所有產出的暫存金鑰與本地測量資料。
實驗繳交成果
- 設定與執行日誌檔案
- Wireshark 封包擷取檔案 (.pcapng) 與金鑰交換欄位分析筆記
- 交握效能比較測量 CSV 資料
ASSIGNMENT
TLS 1.3 混合遷移效能分析報告
繳交成果
評分標準
- 實驗的可重現性 (環境設定與腳本明示與否)
- 封包分析的準確性 (金鑰交換欄位識別)
- 效能測量資料的邏輯解讀
- 理論安全假設與實驗結果的連結性
KNOWLEDGE CHECK
理解檢查
FIELD CHECK
完成標準
- 成功在本地環境中重現基於 liboqs 的混合式 TLS 握手
- 透過 Wireshark 分析確認混合式金鑰交換訊息
- 提交基於效能測量數據的結果分析報告
- 確認遵守安全約束事項（資料隔離、不使用營運金鑰）
MODULE SOURCES
本模組參考資料
- Faster Post-Quantum TLS 1.3 Based on ML-KEM: Implementation ...arxiv.org · paper