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PQMagic: Towards Secure and Efficient Post Quantum Cryptography Implementations
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AI
DOI：10.1007/978-3-032-01806-9_9.png)
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摘要
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量子计算威胁当前公钥密码系统，推动后量子密码学（PQC）的需求。然而，PQC实现面临额外风险。我们发现现有PQC库（如pq-crystals和liboqs）的实现问题，同时它们未能充分利用现代处理器。为解决这些问题，我们提出四种优化策略：分支优化、寄存器分配、向量化执行和高效安全流水线。这些策略最小化执行分支、指令计数和内存访问，同时增强安全性，降低侧信道攻击风险。我们在PQMagic中实现这些策略，这是一个高性能PQC库，针对ML-KEM和ML-DSA，显著优于现有先进库。对于ML-KEM-1024，它在密钥生成、封装和解封装中效率提升高达1.77倍、1.79倍和1.52倍，同时将指令计数和内存访问开销降低最多47.1%和60.1%。对于ML-DSA-87，它在密钥生成、签名和验证中提升高达2.24倍、1.89倍和2.04倍，指令计数和内存访问减少最多44.4%和64.5%。此外，PQMagic在ML-DSA矩阵扩展中消除了高达90.9%的分支操作。此外，PQMagic在性能上优于OpenSSL中选用的传统密码算法组合（RSA-2048/ECDSA-256 + ECDH），仅在最高级别L5与ECDSA-256 + ECDH组合存在微小差距。我们的工作表明，结合现代硬件能力与精心指令调度可实现安全高效的PQC实现，为后量子密码迁移铺平道路。
Keyword:
Post-Quantum Crypto
Crypto Engineering
PQMagic
