QuarkDash：TypeScript 中的后量子密码

QuarkDash：TypeScript 高负载系统后量子混合协议

QuarkDash 结合 Ring-LWE 实现后量子密钥交换、流密码 ChaCha20 或 Gimli、SHAKE-256 用于密钥派生和 MAC，并防护重放攻击和时序攻击。公钥大小约 2 KB，私钥约 1 KB。会话建立平均耗时 8-9 ms，适用于普通 CPU。完美适配客户端-服务器系统，无架构锁定。

QuarkDash 的原语选择

Ring-LWE 用于密钥交换

Ring-LWE 使用多项式环，参数 N=256、Q=7681、ω=7，提供 128 位后量子安全性。多项式乘法通过 NTT 实现 O(N log N) 复杂度。密钥生成约 12 ms，封装/解封装约 8-9 ms。

对称加密

• ChaCha20：20 轮，256 位密钥，12 字节 nonce。软件实现极快，抗时序攻击。
• Gimli：24 轮，384 位状态，256 位安全性。在 32 位架构上超越 ChaCha20，IoT 代码更精简。

SHAKE-256 实现 KDF 和 MAC

基于 Keccak 的 SHAKE-256 提供抗量子密钥派生和认证。KDF：SHAKE256(salt || sharedSecret || "session-key", 64) → sessionKey (32 字节) + macKey (32 字节)。MAC：SHAKE256(macKey || header || ciphertext, 32)，恒定时间验证。

协议流程详解

密钥生成

• 选择 a ∈ Z_Q^N。
• 小型 s、e，系数 {-1,0,1}。
• b = a ⊗ s + e (NTT)。
• 公钥：(a, b)，私钥：s。

会话 KEM

发起方：

• u = a ⊗ s' + e'。
• sharedSecret 来自 b ⊗ s'。

接收方：sharedSecret 来自 u ⊗ s。

消息加密

• header = 时间戳 (8 字节) || 序列号 (4 字节)。
• ciphertext = streamCipher.encrypt(plaintext, sessionKey, nonce)。
• mac = SHAKE256(macKey || header || ciphertext, 32)。
• 数据包：header || ciphertext || mac。

消息解密

• 解析数据包。
• 恒定时间验证 MAC。
• 检查时间戳在 5 分钟内。
• 确保序列号唯一（窗口 1000）。
• plaintext = streamCipher.decrypt(ciphertext)。

安全措施

• 后量子抗性：Ring-LWE 无已知量子破解，SHAKE-256 抗 Grover 算法。
• 侧信道防护：恒定时间比较、安全密钥清零、无密钥相关分支。
• 前向保密：临时会话密钥。
• 重放防护：时间戳 + 序列号。

整体安全性：针对经典/量子威胁 128-256 位。

性能基准测试

会话建立 (ms，1000 次平均)

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

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

| 密钥生成 | 12.3 | 12.1 | 1.2 | 48 |

| KEM 封装 | 8.7 | 8.5 | 3.4 | 42 |

| KEM 解封装 | 9.2 | 9.0 | 3.4 | 0.1 |

吞吐量 (MB/s)

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

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

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

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

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

开销：公钥 2 KB，私钥 1 KB，数据包开销 44 字节。

与其他方案对比

• 对比 AES：QuarkDash 内置 KEM、前向保密、重放防护。ChaCha20 在无硬件加速的软件中胜过 AES。
• 对比 ECC：抗 Shor 算法，数据包开销更低 (44 vs 61 字节)，大负载更快。

协议针对 TypeScript Web 应用优化，SHAKE-256 在 Keccak 上模拟实现。

核心要点

• Ring-LWE (N=256, Q=7681) 提供 128 位 PQC，NTT 乘法。
• 双密码：ChaCha20 适配软件，Gimli 适配 IoT。
• SHAKE-256 KDF/MAC，恒定时间操作。
• 重放防护：时间戳 + 序列号 (窗口 1000)。
• 基准：加密最高 2710 MB/s，会话约 9 ms。

— Editorial Team