Cieľom tejto práce je analyzovať a porovnať možnosti kombinácie postkvantovej a klasickej kryptografie v protokole TLS 1.3. Od príchodu kvantových počítačov možno s istotou povedať, že niektoré algoritmy už nebudú dostatočne bezpečné alebo efektívne v praxi. Ako reakcia na tieto hrozby sa za dlhodobé riešenie považuje postkvantová kryptografia. Keďže postkvantové algoritmy ešte neprešli tak dôkladnou analýzou ako klasické kryptografické schémy, v súčasnosti sa ako prechodné riešenie využíva hybridná kryptografia, ktorá kombinuje klasické a postkvantové algoritmy s cieľom zachovať kompatibilitu a zároveň zabezpečiť potrebnú úroveň bezpečnosti. Práca sa zameriava na implementáciu konzolovej klient-server aplikácie, ktorá ukazuje praktické porovnanie dostupných hybridných kryptografických schém. Implementácia využíva knižnicu OpenSSL rozšírenú o poskytovateľa OQS, WolfSSL, GnuTLS a knižnicu BoringSSL, pričom všetky poskytujú rôzne hybridné a postkvantové algoritmy. Aplikácia meria vybrané parametre handshake TLS, najmä dobu trvania. Výsledná správa poskytuje dôkladné porovnanie vybraných štandardizovaných aj zatiaľ neštandardizovaných algoritmov.
Cieľom tejto práce je analyzovať a porovnať možnosti kombinácie postkvantovej a klasickej kryptografie v protokole TLS 1.3. Od príchodu kvantových počítačov možno s istotou povedať, že niektoré algoritmy už nebudú dostatočne bezpečné alebo efektívne v praxi. Ako reakcia na tieto hrozby sa za dlhodobé riešenie považuje postkvantová kryptografia. Keďže postkvantové algoritmy ešte neprešli tak dôkladnou analýzou ako klasické kryptografické schémy, v súčasnosti sa ako prechodné riešenie využíva hybridná kryptografia, ktorá kombinuje klasické a postkvantové algoritmy s cieľom zachovať kompatibilitu a zároveň zabezpečiť potrebnú úroveň bezpečnosti. Práca sa zameriava na implementáciu konzolovej klient-server aplikácie, ktorá ukazuje praktické porovnanie dostupných hybridných kryptografických schém. Implementácia využíva knižnicu OpenSSL rozšírenú o poskytovateľa OQS, WolfSSL, GnuTLS a knižnicu BoringSSL, pričom všetky poskytujú rôzne hybridné a postkvantové algoritmy. Aplikácia meria vybrané parametre handshake TLS, najmä dobu trvania. Výsledná správa poskytuje dôkladné porovnanie vybraných štandardizovaných aj zatiaľ neštandardizovaných algoritmov.
Táto práca skúma matematické problémy, ktoré tvoria základ algoritmov v súčasnej postkvantovej kryptografii, a vzťahy medzi nimi. Kvantové počítanie predstavuje hrozbu pre súčasné šifrovacie systémy, a preto je téma postkvantovej kryptografie čoraz relevantnejšia. Národný inštitút pre štandardy a technológie (NIST) a Kórejská postkvantová kryptografia (KpqC) už štandardizovali niekoľko protokolov, ktoré využívajú rôzne techniky na zabezpečenie bezpečnej komunikácie. Väčšina týchto protokolov je založená na kódovaní alebo mriežke, ale zvažujú sa aj iné možnosti. Tieto problémy je dôležité preskúmať a pochopiť ich vzájomné súvislosti. Potom môžeme predpokladať ich NP-zložitosť. Zistené vzťahy sme zmapovali v grafe a roztriedili do sekcií podľa typu problému, na ktorom sú založené. Tento graf sme spolu s SVP simulátorom následne zreplikovali v Python webovej aplikácií, aby bol prístupný bežnému používateľovi.
Vývoj výkonných kvantových počítačů představuje dlouhodobou hrozbu pro asymetrické algoritmy využívané v protokolech pro registraci certifikátů, jako jsou SCEP a EST. Tato práce analyzuje, ve kterých částech uvedené protokoly spoléhají na algoritmy zranitelné vůči kvantovým útokům, zejména na RSA, ECDSA a ECDH, a navrhuje možnosti migrace založené na hybridní a postkvantové kryptografii. Pro autentizaci, prokazování vlastnictví soukromého klíče, certifikáty, žádosti o certifikát a struktury CMS jsou uvažovány kompozitní podpisy ML-DSA. Pro kvantově odolné ustanovení klíče jsou uvažovány mechanismy založené na ML-KEM. Práce dále porovnává protokoly SCEP a EST a dochází k závěru, že EST představuje vhodnější základ pro postkvantovou migraci, zejména díky povinnému bezpečnostnímu modelu založenému na TLS. Vybrané klasické a postkvantové algoritmy jsou testovány na mikrokontrolérové platformě STM32WB55RG z hlediska výkonnosti, využití paměti a komunikační režie. Součástí práce je také experimentální implementace postkvantového prototypu EST. Výsledky ukazují, že ML-KEM-512 a ML-DSA-44 jsou vhodnou volbou pro omezené klienty EST a že postkvantová registrace certifikátů pomocí EST je na Cortex-M4 STM32WB55RG proveditelná.
Tato diplomová práce se zabývá nastupující hrozbou kvantových počítačů a analýzou kvantově odolných metod pro ochranu soukromí. Obě témata jsou aktuálně hojně diskutovaná v oblasti bezpečnosti a kryptografie. Kvantové počítače představují riziko pro určité současné kryptografické systémy, proto je nezbytné analyzovat a vytvořit nové bezpečné metody, které budou této hrozbě odolávat. S rostoucí digitalizací osobních údajů se technologie chránící soukromí (PETs) stávají nezbytností, avšak jejich dosavadní realizace často spoléhají na zranitelné asymetrické algoritmy. Teoretická část práce se zaměřuje na popis kvantových počítačů, kvantových jevů a jejich dopadů na současnou kryptografii. Následně je analyzován současný stav vývoje kvantových počítačů, jsou představeny rodiny postkvantové kryptografie včetně aktuální standardizace a popsány současné metody pro ochranu soukromí uživatelů. Poté je provedeno porovnání výpočetní a paměťové náročnosti protokolů s nulovou znalostí (zk-SNARK, zk-STARK), skupinových podpisů a schémat atributové autentizace, které vycházejí z odborné literatury. Na základě tohoto porovnání byla posouzena vhodnost nasazení zmíněných metod v praxi a pro demonstraci konkrétního uživatelského scénáře byla vybrána konstrukce atributových pověření autorů Argo et al. Praktická část práce se věnuje implementaci tohoto řešení do podoby plně funkčního webového demonstrátoru. Navržená softwarová architektura kombinuje nízkoúrovňové kryptografické jádro v programovacím jazyce C s asynchronní orchestrační vrstvou v programovacím jazyce Python a interaktivním uživatelským rozhraním. Vyvinutý demonstrátor pokrývá celý životní cyklus pověření, od bezpečného vydání přes lokální zašifrované uložení až po anonymní prokázání vlastnictví atributů pomocí důkazu s nulovou znalostí. V závěru práce je provedeno výkonnostní zhodnocení demonstrátoru. Výsledky měření prokazují, že optimalizovaný postkvantový systém dosahuje latencí přijatelných pro reálné nasazení na běžných výpočetních zařízeních.
Tato diplomová práce se zabývá možnostmi integrace postkvantové kryptografie do pro- tokolů a systémů využívaných v průmyslovém prostředí a v prostředí infrastruktury veřej- ných klíčů. V teoretické části jsou popsány systémy infrastruktury veřejných klíčů, certi- fikáty standardu X.509 a moderní kryptografické algoritmy včetně postkvantové krypto- grafie. Dále jsou analyzovány protokoly EST, SCEP, LoRaWAN a ACME, u nichž byly identifikovány kryptografické mechanismy a možnosti jejich nahrazení za kvantově odolné varianty. S ohledem na infrastrukturu veřejných klíčů pak byly prozkoumány některé ve- řejně dostupné systémy pro management PKI a z nich byl vybrán systém LamassuIoT pro integraci postkvantové ochrany do jeho mechanismů distribuce certifikátů. Implementace byla zaměřena na proces distribuce certifikátů pomocí protokolu EST v systému Lamas- suIoT. Systém byl rozšířen o podporu podpisového schématu ML-DSA a komunikační proces protokolu EST byl převeden na hybridní výměnu klíče ML-KEM-768+X25519. Funkčnost byla ověřena pomocí klientské sady na STM32. Výsledná konfigurace byla změřena a naměřené hodnoty ukazují dopad kvantově odolných kryptografických algo- ritmů na provozní vlastnosti systému. Naměřené hodnoty byly srovnány s teoretickým odhadem založeným na údajích uvedených v oficiálních specifikacích algoritmů. Měření dopadu na výkon bylo provedeno, ale jeho výsledky neprokázaly zásadní zvýšení výpočetní náročnosti na straně serveru.
Pokroky v kvantovém počítání nás nutí zkoumat a implementovat nové metody ke klasické kryptografii s veřejným klíčem. Jednou z alternativ je kromě postkvantové kryptografie takzvaná kvantová distribuce klíče. Tato technika je spojena s budováním speciálních sítí schopných distribuovat sdílený klíč mezi libovolné dvě komunikující strany. Nejprve vysvětlíme bezpečnostní důsledky, které kvantové počítače představují pro dnes široce používané algoritmy asymetrické kryptografie. Jako řešení, kterým se budeme dále zabývat, jsou sítě pro kvantovou distribuci klíče. Je zmíněno několik reálných implementací a následně detailně popsána architektura s důrazem na bezpečnost. Je vysvětlena podstata informační bezpečnosti a provedena bezpečnostní analýza kvantových sítí. Její součástí je navržený bezpečnostní profil pro systém pro správu klíčů v kvantových sítích, napsaný podle specifikace Common Criteria. Dále navrhujeme techniky pro zvýšení bezpečnosti v obleastech: (i) doručení klíče k uživateli, (ii) posílení bezpečnosti klíče a (iii) propojení sítí. Nakonec vyvineme metodologii pro vývoj, implementaci a provozování kvantových sítí tak, aby mohla být aplikována na tyto nové sítě.
Nahodnosť je veľmi hodnotný zdroj v mnohých oblastiach modernej vedy. Typicky, vo vacsine aplikacii je vyžadovana dokonala nahodnosť -- uniformne distribuovane bity nezavisle od akýchkoľvek iných dat. Tento predoklad je casto využivaný pri analýze algoritmov a protokolov. Nanesťastie, je veľmi zložite dokazať už len fakt, že akýkoľvek zdroj nahodnosti je dostatocne nepredvidateľný. Požiadavka uniformnej distribucie sa v tomto svetle zda takmer nemožna. V dosledku týchto uvah je doležite zistiť, ci sa daju v aplikaciach efektivne použivať slabe zdroje nahodnosti -- neuniformne nahodne procesy ciastocne nezavisle od vonkajsich dat. Tento problem bol dokladne prestudovaný v klasickom spracovani informacie. Trochu prekvapivo, až donedavna existovalo veľmi malo srudii dopadu slabej nahodnosti na kvantove spracovanie informacie. V troch hlavných kapitolach tejto prace sa venujeme trom roznym temam prepojeným spolocnou temou slabej nahodnosti v kvantovom spracovani informacie. V kapitole 3 ukazujeme, že sifrovanie klasických sprav do qbitov zvysuje bezpecnosť kryptosystemu v pripade, že tajný kľuc použitý v symetrickom sifrovani je iba slabo nahodný. Toto je v silnom kontraste s klasickými siframi, kde nie je možna žiadna bezpecnosť ani s relativne silnými zdrojmi nahodnosti. V sirsom zmysle tento výsledok ukazuje, že kvantove zdroje možu pomocť pri klasických ulohach implementovaných pomocou nedokonalej nahodnosti. V kapitole 4, naopak ukazujeme negativny výsledok. Predstavujeme v nej utok na protokol kvantoveho zdieľania kľuca, ktorý využiva slabu nahodnosť v jednej faze protokolu. Takýto utok vyžaduje iba veľmi malý vplyv utocnika na generator nahodných cisel použitý na implementaciu protokolu. Piata kapitola ide trochu iným smerom. Ukazujeme v nej, ako sa da extrahovať dokonala nahodnosť so slabeho zdroja za pomoci kvantových zariadeni. Navyse, protokol je tzv. nezavislý na zariadeniach -- nepotrebujeme poznať presnu specifikaciu zariadeni. Toto je zaujimavý výsledok, pretože uloha extrahovania dokonalej nahodnosti s jedneho zdroj aslabej nahodnosti je v klasickom pripade nemožna.