تست و اندازه گیری برای تایید عملکرد و انطباق سیستم های ایمن پس کوانتومی

پیشرفت در محاسبات کوانتومی به این معنی است که تکنیک‌های رمزنگاری منحنی بیضی (ECC) احتمالاً در حدود پنج سال دیگر شکسته می‌شوند. این پیشرفت ها نه تنها شامل قدرت پردازش (پردازنده Kookaburra IBM در اواخر امسال از 4000 کیوبیت خواهد شد)، بلکه تصحیح خطا را نیز شامل می شود. به عنوان مثال، Willow گوگل یک کامپیوتر 105 کیوبیتی است و این پیشرفت در تصحیح خطا به آن اجازه داده است تا محاسباتی را در کمتر از پنج دقیقه انجام دهد که عملاً حتی برای ابرکامپیوترهای پیشرو نیز غیرممکن است.

این پیشرفت قابل پیش بینی مورد توجه مجرمان سایبری قرار نگرفته است، و استراتژی برداشت-اکنون، رمزگشایی بعد به سرعت در حال اتخاذ است.

در این وبلاگ، سه الگوریتم اصلی امنیتی PQC را به همراه تکنیک‌ها و فن‌آوری‌های اعتبارسنجی که به اطمینان از اثربخشی آن‌ها کمک می‌کنند، تشریح خواهیم کرد.

اگر می خواهید جزئیات بیشتری در مورد هر جنبه ای از این وبلاگ داشته باشید، یک مقاله سفید دقیق تر نیز ایجاد شده است که می توانید از اینجا دانلود کنید.

الگوریتم های NIST

در زمان نگارش این مقاله، سه الگوریتم توسط NIST استاندارد شده است: FIPS 203، 204، و 205، که چهارمین الگوریتم اعلام شده اما به تعویق افتاده است زیرا اجرای مداوم آن دشوار است و در برابر حملات کانال جانبی آسیب پذیر است.

هر یک عملکرد کمی متفاوت را انجام می‌دهند، به‌ترتیب FIPS 203 و 204 از تکنیک‌های شبکه‌ای برای ایجاد یک اتصال ایمن و اثبات منشأ و صحت یک پیام استفاده می‌کنند، و FIPS 205 از رمزنگاری مبتنی بر هش برای ارائه یک رویکرد جایگزین برای FIPS 204 استفاده می‌کند – البته روشی کندتر با اندازه امضای بزرگ‌تر.

پذیرش این الگوریتم‌ها توسط NSA و سایر آژانس‌های امنیت ملی الزامی شده است و سیستم‌های امنیت ملی باید انتقال به PQC را تا سال 2030 تکمیل کنند – یا از طریق الگوریتم‌های رمزگذاری‌شده با نرم‌افزار (رمزنگاری پس کوانتومی/PQC)، روش‌های مبادله کلید مبتنی بر سخت‌افزار که از پیوندهای نوری (رویکرد کوانتومی برای توزیع کلید QBKD)، یا معماری QBKD برای توزیع کلید استفاده می‌کنند.

متأسفانه، به نظر می رسد که آمادگی های جهانی برای دفاع در برابر حملات کوانتومی عقب مانده است.

با این حال، اتحادهای صنعتی با اتحاد رمزنگاری پس کوانتومی (PQCA) و گروه وظیفه شبکه مخابراتی پست کوانتومی (POTN) که نمونه‌های قابل توجهی هستند با پشتیبانی گسترده شکل می‌گیرند.

اعتبار سنجی مطابقت

استفاده از این الگوریتم ها کافی نیست. نشان داده شده است که آنها از نظر ریاضی درست هستند، اما هر پیاده سازی باید برای اطمینان از سازگاری آن آزمایش شود.

و ماهیت سه جانبه (QKD، PQC و ترکیبی) اینها به این معنی است که هیچ رویکرد آزمایشی یکسانی وجود ندارد.

برای سیستم‌های QKD، باید نرخ خطای کیوبیت (QBER) کانال کوانتومی معتبر را اندازه‌گیری کنیم، که QBER بالا نشانه‌ای بالقوه برای استراق سمع است. تست استرس فیزیکی نیز باید با استفاده از یک شبکه شبیه سازی شده و مجموعه ای از ولتاژهای نوری کنترل شده انجام شود. چنین آزمایشی باید به لایه خدمات نیز گسترش یابد تا اطمینان حاصل شود که سیستم مدیریت کلید می تواند به طور پایدار برنامه ها را ارائه دهد.

در مقابل، نگرانی اصلی سیستم‌های PQC عملکرد و تاثیر معماری استفاده از کلیدهای رمزگذاری طولانی‌تر است – الگوریتم‌ها معمولاً از نظر عملکرد سنگین‌تر هستند. بنابراین، آزمایش کارایی محاسباتی برای بررسی سرعت رمزگذاری و تولید کلید، و همچنین تغییرات در اندازه کلید مورد نیاز است. در اینجا نیز، تست استرس در مقیاس بزرگ مورد نیاز است – از جمله الگوهای شبیه‌سازی کاربر و استفاده/ترافیک برای نظارت بر KPIها مانند تأخیر و توان عملیاتی تحت بار. در نهایت، آزمایش باید شامل سناریوهای شکست باشد، مانند انتخاب ناهماهنگ کلید PQC و ناتوانی طرف در حفظ PQC.

در نهایت، برای سیستم های هیبریدی، ما باید بر روی این تکنیک ها بنا کنیم تا پیچیدگی افزایش یافته را در نظر بگیریم. آزمایش عملکردی اعتبار رابط کوانتومی کلاسیک را امکان پذیر می کند و تأیید می کند که زمان بندی و همگام سازی پایدار هستند. تست امنیت/مقاومت نیز حیاتی است و باید شامل شبیه‌سازی حملات کانال جانبی و تأیید اینکه در صورت خرابی پیوند QKD، سیستم به PQC برمی‌گردد.

در مورد اعتبارسنجی عملکرد، معیارهای کلاسیک و کوانتومی باید به طور همزمان اندازه‌گیری شوند و لایه فیزیکی نیز برای اطمینان از همزیستی ترافیک کوانتومی کلاسیک بدون نویز یا اثرات قطبی‌سازی آزمایش شود.

این تکنیک‌ها شباهت‌های زیادی به آزمایش‌های کلاسیک نشان می‌دهند، اما ماهیت رابط فوتونیک به طور قابل توجهی متفاوت است. تغییرات اضافی را می توان از نظر سطح و نوع استرس های نوری مشاهده کرد.

پلتفرم های تست و اندازه گیری VIAVI برای سیستم های QKD، PQC و هیبریدی

در این بخش، برخی از فناوری‌های زیربنایی را که آزمایش و اعتبار سنجی پیاده‌سازی‌های پس کوانتومی را امکان‌پذیر می‌سازند، بررسی می‌کنیم.

مجدداً با سیستم های QKD و فرآیند تست چندلایه آنها شروع خواهیم کرد. برای لایه نوری فیزیکی، VIAVI VIAVI MAP-300 را توسعه داد. این یک سیستم فوتونیک قابل تنظیم مجدد است و برای شبیه سازی طیف گسترده ای از سناریوهای بارگذاری قدرت و طیفی موجود در شبکه های زنده استفاده می شود، بنابراین به مهندسان اجازه می دهد تا استحکام سیستم های QKD جدید را تأیید کنند.

به طور خاص، این دستگاه قادر به ایجاد تنش‌های نوری متعدد، از جمله نویز باند گپ ناشی از تقویت‌کننده‌ها، اختلالات پلاریزاسیون، و رویدادهای بازتابی است که اتصالات QKD را به نقطه شکست خود سوق می‌دهد.

سطح سرویس به یک پلتفرم متفاوت، TeraVM نیاز دارد. این هم برای شبیه‌سازی کلاینت‌هایی که کلیدهای پیش‌اشتراک‌گذاری شده پس کوانتومی (PPK) را استخراج می‌کنند و هم برای آزمایش کیفیت تجربه تحت بارگیری زمانی که کلیدها به طور مداوم رد و بدل می‌شوند، استفاده می‌شود. بنابراین، استفاده از چنین سیستمی هم انطباق با ETSI و هم اعتبار سیستم مدیریت کلید QKD را تضمین می کند.

حرکت به سمت سیستم های PQC که در آن عملکرد چالش است. یک نوع از سیستم TeraVM (TeraVM Security) می تواند در اینجا برای آزمایش تاثیر الگوریتم ها استفاده شود. این ابزار مبتنی بر نرم‌افزار قادر به تست استرس هدندهای VPN رمزگذاری‌شده با الگوریتم‌های جدید PQC، شبیه‌سازی ده‌ها هزار کاربر و ترافیک برنامه‌های کاربردی آنها (ابزارهای همکاری، کنفرانس ویدیویی) و اندازه‌گیری تأخیر، خروجی و نتایج MoS تحت بار در میان سایر KPIها است.

TeraVM Security همچنین تغییرات اندازه کلید و دورهای ورود مجدد و سایر معیارهای خاص PQC را اندازه گیری می کند. و برای سناریوهای آزمایش ترکیبی، سیستم قادر است آغازگرهای فعال شده با PQC را در برابر یک پاسخ دهنده غیر PQC آزمایش کند تا اطمینان حاصل شود که تونل کلاسیک VPN هنوز برقرار است.

برای اینکه گردش کار خودکار شود، پلت فرم VAMOS مبتنی بر ابر VIAVI برای مدیریت کمپین آزمایشی نیز باید برای بهبود استفاده از منابع پیاده‌سازی شود.

در نهایت، خود زیرساخت نوری فیزیکی باید ایمن و نظارت شود. در اینجا، سیستم تست فیبر از راه دور ONMSi می تواند برای اسکن مداوم شبکه نوری با استفاده از یک OTDR برای شناسایی و مکان یابی خودکار خطاها یا تخریب هایی که می تواند نشان دهنده ضربه فیبر باشد، استفاده شود. سیستم‌های اندازه‌گیری دما و تنش توزیع‌شده همچنین می‌توانند برای نظارت بر تغییرات تنش و دمای ناشی از تداخل فیزیکی، مانند خم شدن یا برش فیبر، که نشانه‌ای از حمله احتمالی است، استفاده شوند.