Integrating code-based post-quantum cryptography into SSL TLS protocols through an interoperable hybrid framework

Zafar, Aasim

doi:10.1007/s10791-025-09735-7

Integrating code-based post-quantum cryptography into SSL TLS protocols through an interoperable hybrid framework

2025-09-21

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DOI：10.1007/s10791-025-09735-7

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量子计算的发展对经典密码协议构成了重大威胁，包括负责安全互联网通信的TLS。尽管近期产业界和学术界的努力主要集中在将基于格的后量子密钥封装机制（KEMs）（如Kyber+X25519）集成到混合TLS握手协议中，但这些方法通常以牺牲密码分析多样性为代价来优先考虑性能。基于编码的KEMs，尽管其安全性已得到证实，但由于大型密钥尺寸和集成复杂性等限制，它们在混合框架中仍较少被探索。本文提出了一种新颖的混合TLS框架，该框架明确地将基于编码的后量子密码学——特别是McEliece算法——与经典密钥交换机制相结合。该框架引入了双握手机制、自适应参数选择和无缝回退协商，实现了在异构网络中的灵活部署，同时确保了向后兼容性。与量子随机数生成器（QRNG）和多因素认证的集成进一步提高了熵质量和会话安全性。我们使用OpenSSL-OQS集成实现了并评估了该框架。我们在模拟和真实世界测试平台上测量了握手延迟、CPU利用率、内存使用和吞吐量。结果表明，所提出的混合方法在延迟上比纯后量子TLS变体低多达30%，同时显著降低了资源开销，而保持了接近经典效率的水平。数学建模形式化了这些权衡，为在资源受限的物联网设备和高性能服务器上优化部署奠定了基础。通过推进密码多样性并遵循新兴的NIST和IETF标准化工作，所提出的框架为实现抗量子安全通信提供了实用途径。它表明，基于编码的后量子密码学可以无问题地添加到当前的TLS系统中，在准备迎接量子时代的同时，兼顾了安全性、性能和兼容性。

Keyword:

Post-quantum cryptography (PQC)

Code-Based Cryptography

Hybrid Cryptographic Framework

SSL/TLS Protocols

Quantum-Resistant Communication

Quantum Random Number Generators (QRNGs)

Multifactor Authentication (MFA)

Integrating code-based post-quantum cryptography into SSL TLS protocols through an interoperable hybrid framework

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