QuarkDash: postkwantowy szyfr na TypeScript

Hybrydowy postkwantowy protokół QuarkDash: implementacja w TypeScript dla systemów wysokonakładowych

QuarkDash łączy Ring-LWE do postkwantowej wymiany kluczy, szyfry strumieniowe ChaCha20 lub Gimli, SHAKE-256 do KDF i MAC, plus ochronę przed atakami replay i timing. Rozmiar klucza publicznego ~2 KB, prywatnego ~1 KB. Ustanowienie sesji zajmuje ~8-9 ms na średnim CPU. Nadaje się dla systemów klient-serwer bez przywiązywania do architektury.

Wybór prymitywów w QuarkDash

Ring-LWE do wymiany kluczy

Ring-LWE używa pierścienia wielomianów z parametrami N=256, Q=7681, ω=7. Zapewnia 128-bitową postkwantową bezpieczeństwo. Mnożenie wielomianów poprzez NTT z O(N log N). Generacja kluczy: ~12 ms, inkapsulacja/dekapsulacja ~8-9 ms.

Szyfrowanie symetryczne

• ChaCha20: 20 rund, 256-bitowy klucz, 12-bajtowy nonce. Wysoka prędkość w oprogramowaniu, odporność na timing-ataki.
• Gimli: 24 rundy, 384-bitowy stan, 256-bitowa bezpieczeństwo. Szybszy niż ChaCha20 na 32-bitowych architekturach, mniej kodu dla IoT.

KDF i MAC na SHAKE-256

SHAKE-256 (oparty na Keccak) do kwantowo-odpornej pochodnej kluczy i autentykacji. KDF: SHAKE256(salt || sharedSecret || "session-key", 64) → sessionKey (32 bajty) + macKey (32 bajty). MAC: SHAKE256(macKey || header || ciphertext, 32) z constant-time weryfikacją.

Krok po kroku algorytm działania

Generacja kluczy

• Wybrać a ∈ Z_Q^N.
• Małe s, e ze współczynnikami {-1,0,1}.
• b = a ⊗ s + e (NTT).
• Publiczny: (a, b), prywatny: s.

KEM dla sesji

Inicjator:

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

Odbiorca: sharedSecret z u ⊗ s.

Szyfrowanie wiadomości

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

Odszyfrowanie

• Podzielić pakiet.
• Weryfikacja MAC (constant-time).
• timestamp w granicach 5 min.
• sequence nie powtarza się (okno 1000).
• plaintext = streamCipher.decrypt(ciphertext).

Środki bezpieczeństwa

• Postkwantowa odporność: Ring-LWE bez znanych kwantowych ataków, SHAKE-256 przeciw Groverowi.
• Kanały boczne: constant-time porównania, secureZero kluczy, bez rozgałęzień na sekretach.
• Forward secrecy: efemeryczne klucze na sesję.
• Ochrona przed replay: timestamp + sequence.

Ogólny poziom: 128-256 bitów przeciw klasycznym/kwantowym zagrożeniom.

Benchmarki wydajności

Ustanowienie sesji (ms, średnia z 1000)

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

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

| Generacja kluczy | 12.3 | 12.1 | 1.2 | 48 |

| KEM inkapsulacja | 8.7 | 8.5 | 3.4 | 42 |

| KEM dekapsulacja | 9.2 | 9.0 | 3.4 | 0.1 |

Przepustowość (MB/s)

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

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

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

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

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

Nakłady: klucz publiczny 2 KB, prywatny 1 KB, overhead pakietu 44 bajty.

Porównanie z alternatywami

• Vs AES: QuarkDash dodaje wbudowany KEM, forward secrecy, replay-ochronę. ChaCha20 szybszy niż AES bez sprzętu.
• Vs ECC: odporny na Shora, mniejszy overhead pakietu (44 vs 61 bajtów), wyższa prędkość dla dużych danych.

Protokół zoptymalizowany dla TypeScript w aplikacjach webowych, z emulacją SHAKE-256 na Keccak.

Co ważne

• Ring-LWE (N=256, Q=7681) dla 128-bit PQC z NTT-mnożeniem.
• Podwójny wybór szyfrów: ChaCha20 dla oprogramowania, Gimli dla IoT.
• SHAKE-256 KDF/MAC z constant-time operacjami.
• Ochrona przed replay przez timestamp + sequence (okno 1000).
• Benchmarki: do 2710 MB/s szyfrowania, sesja ~9 ms.

— Editorial Team