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OQS 與 oqs-provider 整合
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LEARNING OBJECTIVES
本模組目標
- 理解 Open Quantum Safe(OQS) 架構與 oqs-provider 的角色。
- 掌握 PQ (Post-Quantum) 演算法整合至 TLS 1.3 的方式。
- 在本地環境中建置並驗證混合 (Hybrid) TLS 交握。
- 探討 KEM 實作最佳化 (AVX-512 等) 對實際交握效能的影響。
OQS 與 oqs-provider 整合理論
為了保護現有資料傳輸免受量子電腦威脅，必須將 NIST 標準基礎的後量子演算法 (PQC) 整合至 TLS 1.3 等現有協定中。OQS (Open Quantum Safe) 專案提供了加速此類整合的主要框架 [S2]。
1. liboqs 與 oqs-provider
- liboqs: 包含 PQC 演算法 (ML-KEM, ML-DSA 等) C 語言實作的核心函式庫。提供統一的演算法 API。
- oqs-provider: 利用 OpenSSL 3 的提供者架構，協助 OpenSSL 應用程式 (如
s_client,s_server) 原生使用 liboqs 的 PQC 演算法。這讓現有的 TLS 工具無需修改即可測試 PQC 功能。
2. TLS 1.3 的 PQ 整合方式
在 TLS 1.3 交握過程中，PQC KEM 取代或補充現有的金鑰交換 (如 ECDH)。
- PQ-only 模式: 僅使用 PQC KEM 進行金鑰交換。
- 混合 (Hybrid) 模式: 結合現有的傳統演算法 (ECDH) 與 PQC 演算法。這是兼顧確保後量子安全性與維持傳統安全保障的策略，目的在於保護免受演算法實作錯誤或未來漏洞的影響。
3. 效能考量
PQC KEM 的金鑰大小或運算量可能大於現有演算法，因此對交握效能有直接影響 [S2]。利用最新硬體指令集 (AVX-512 等) 優化多項式乘法與模組化縮減，可提升交握速度 [S2]。
WORKED EXAMPLES
講解範例
- 範例 1：若要確認 oqs-provider 是否已載入 OpenSSL，執行 `openssl list -providers` 指令。輸出結果應包含 'oqs' 提供者。
- 範例 2：執行混合交握時，使用指令引數指定金鑰交換群組，如 `openssl s_client -groups kyber768_x25519...`。此為結合 ML-KEM (Kyber) 與傳統 Curve25519 的混合群組。
LAB PROTOCOL
本地環境中的混合 TLS 測試
- 1
在隔離的 Docker 容器內建置並安裝 liboqs 與 oqs-provider。
- 2
修改 OpenSSL 設定檔 (`openssl.cnf`) 以啟用 oqs 提供者。
- 3
開啟兩個終端機，一個執行 `openssl s_server`，另一個以混合模式執行 `openssl s_client`。
- 4
使用 Wireshark 擷取並分析 ClientHello 封包內，共享金鑰群組 (Key Share) 的傳輸方式。
- 5
確認交握成功與否及連線加密演算法資訊。
安全檢查
- 實驗務必僅在隔離的本地虛擬環境內進行。
- 絕不使用營運服務中所使用的憑證或金鑰。
- 使用 Wireshark 擷取時，請注意勿包含實際服務流量。
實驗繳交成果
- oqs-provider 啟用確認截圖
- 混合交握日誌檔案
- Wireshark 擷取封包的共享金鑰群組分析報告
ASSIGNMENT
基於密碼敏捷性的遷移分析報告
繳交成果
評分標準
- OQS 工具鏈建置與執行成功與否
- 是否透過 TLS 封包分析準確說明混合模式動作
- 效能測量資料是否包含實驗環境與版本資訊，且具備可重現性
- 是否基於密碼敏捷性概念邏輯地撰寫遷移路線圖
KNOWLEDGE CHECK
理解檢查
FIELD CHECK
完成標準
- 完成基於 oqs-provider 的本地測試環境建置
- 完成混合 TLS 交握成功與封包擷取驗證
- 完成包含實驗結果與分析的報告撰寫
- 建立後量子遷移路線圖
MODULE SOURCES
本模組參考資料
- Faster Post-Quantum TLS 1.3 Based on ML-KEM: Implementation ...arxiv.org · paper