QuarkDash: Post-Quanten-Chiffre in TypeScript

QuarkDash: Hybrides Post-Quanten-Protokoll in TypeScript für Hochlastsysteme

QuarkDash kombiniert Ring-LWE für post-quanten-sicheren Schlüsselaustausch, Stromchiffren ChaCha20 oder Gimli, SHAKE-256 für Schlüsselableitung und MAC sowie Schutz vor Replay- und Timing-Angriffen. Öffentlicher Schlüssel ~2 KB, privater ~1 KB. Sitzungsaufbau dauert ~8-9 ms auf durchschnittlichen CPUs. Ideal für Client-Server-Systeme ohne Architekturbindung.

Auswahl der Primitiven in QuarkDash

Ring-LWE für Schlüsselaustausch

Ring-LWE nutzt Polynomringe mit Parametern N=256, Q=7681, ω=7. Bietet 128-Bit-Post-Quanten-Sicherheit. Polynommultiplikation via NTT in O(N log N). Schlüsselgenerierung: ~12 ms, Kapselung/Dekapselung ~8-9 ms.

Symmetrische Verschlüsselung

• ChaCha20: 20 Runden, 256-Bit-Schlüssel, 12-Byte-Nonce. Extrem schnell in Software, resistent gegen Timing-Angriffe.
• Gimli: 24 Runden, 384-Bit-Zustand, 256-Bit-Sicherheit. Übertrifft ChaCha20 auf 32-Bit-Architekturen, schlanker Code für IoT.

KDF und MAC mit SHAKE-256

SHAKE-256 (Keccak-basiert) für quantensichere Schlüsselableitung und Authentifizierung. KDF: SHAKE256(salt || sharedSecret || "session-key", 64) → sessionKey (32 Bytes) + macKey (32 Bytes). MAC: SHAKE256(macKey || header || ciphertext, 32) mit vergleichszeitkonstanter Überprüfung.

Protokollablauf Schritt für Schritt

Schlüsselgenerierung

• Wähle a ∈ Z_Q^N.
• Kleine s, e mit Koeffizienten {-1,0,1}.
• b = a ⊗ s + e (NTT).
• Öffentlich: (a, b), privat: s.

KEM für Sitzung

Initiator:

• u = a ⊗ s' + e'.
• sharedSecret aus b ⊗ s'.

Empfänger: sharedSecret aus u ⊗ s.

Nachrichtenverschlüsselung

• header = timestamp (8 Bytes) || sequence (4 Bytes).
• ciphertext = streamCipher.encrypt(plaintext, sessionKey, nonce).
• mac = SHAKE256(macKey || header || ciphertext, 32).
• Paket: header || ciphertext || mac.

Nachrichtenentschlüsselung

• Paket parsen.
• MAC prüfen (zeitkonstant).
• Timestamp innerhalb 5 Minuten prüfen.
• Sequence einzigartig sicherstellen (Fenster 1000).
• plaintext = streamCipher.decrypt(ciphertext).

Sicherheitsmaßnahmen

• Post-Quanten-Resistenz: Ring-LWE ohne bekannte Quantenbrüche, SHAKE-256 hält Grover-Algorithmus stand.
• Side-Channel-Schutz: Zeitkonstante Vergleiche, sicheres Key-Zeroing, keine geheimsabhängigen Branches.
• Forward Secrecy: Ephemere Sitzungsschlüssel.
• Replay-Schutz: Timestamp + Sequence.

Gesamtsicherheit: 128-256 Bit gegen klassische/quantale Bedrohungen.

Leistungsbenchmarks

Sitzungsaufbau (ms, Durchschnitt 1000 Läufe)

| Operation | QuarkDash (ChaCha20) | QuarkDash (Gimli) | ECDH P-256 | RSA-2048 |

|----------|----------------------|-------------------|------------|----------|

| Schlüsselgenerierung | 12.3 | 12.1 | 1.2 | 48 |

| KEM Kapselung | 8.7 | 8.5 | 3.4 | 42 |

| KEM Dekapselung | 9.2 | 9.0 | 3.4 | 0.1 |

Durchsatz (MB/s)

| Größe | ChaCha20 | Gimli | AES-256-GCM | ECIES |

|--------|----------|-------|-------------|-------|

| 1 KB | 125 | 132 | 117 | 10 |

| 1 MB | 2380 | 2630 | 1176 | 48 |

| 10 MB | 2450 | 2710 | 1200 | 50 |

Overhead: öffentlicher Schlüssel 2 KB, privater 1 KB, Paketoverhead 44 Bytes.

Vergleich mit Alternativen

• Vs AES: QuarkDash integriert KEM, Forward Secrecy, Replay-Schutz. ChaCha20 schlägt AES in Software ohne Hardware-Beschleunigung.
• Vs ECC: Shor-resistent, geringerer Paketoverhead (44 vs 61 Bytes), schneller bei großen Nutzlasten.

Das Protokoll ist für TypeScript in Web-Apps optimiert, mit SHAKE-256-Emulation auf Keccak.

Wichtige Erkenntnisse

• Ring-LWE (N=256, Q=7681) für 128-Bit-PQC mit NTT-Multiplikation.
• Doppelchiffren: ChaCha20 für Software, Gimli für IoT.
• SHAKE-256 KDF/MAC mit zeitkonstanten Operationen.
• Replay-Schutz via Timestamp + Sequence (Fenster 1000).
• Benchmarks: bis 2710 MB/s Verschlüsselung, Sitzungen ~9 ms.

— Editorial Team