การแข่งขัน NIST PQC: กระบวนการและเกณฑ์

NIST เริ่มโครงการจัดทำมาตรฐานการเข้ารหัสลับหลังยุคควอนตัม (PQC) ในปี 2016 เพื่อตอบสนองโดยตรงต่อภัยคุกคามจากคอมพิวเตอร์ควอนตัม อัลกอริทึมของ Shor สามารถทำลาย RSA และการเข้ารหัสลับเส้นโค้งวงรีได้ในเวลาพหุนามบนคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีขนาดใหญ่เพียงพอ NIST ตระหนักว่าการเปลี่ยนโครงสร้างพื้นฐานด้านการเข้ารหัสลับต้องใช้เวลาหลายทศวรรษ จึงเริ่มกระบวนการนี้ล่วงหน้าเป็นเวลานานก่อนที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะก่อภัยคุกคามโดยตรง

NIST ออกประกาศเชิญส่งข้อเสนอในเดือนธันวาคม 2016 และได้รับข้อเสนอที่สมบูรณ์ 82 รายการภายในเดือนพฤศจิกายน 2017 หลังการตรวจสอบเบื้องต้น มี 69 รายการได้รับคัดเลือกเป็นผู้สมัครรอบแรก ข้อเสนอเหล่านี้ครอบคลุมสมมติฐานทางคณิตศาสตร์ที่หลากหลาย ได้แก่ ปัญหาแลตทิซ ฟังก์ชันแฮช การเข้ารหัสลับแบบอิงรหัส การเข้ารหัสลับแบบอิงไอโซเจนี และพหุนามหลายตัวแปร ความหลากหลายของสมมติฐานเป็นเป้าหมายสำคัญ เพื่อหลีกเลี่ยงการฝากความหวังทั้งหมดไว้กับทางเลือกเดียว

ในรอบที่ 1 NIST และชุมชนการเข้ารหัสลับในวงกว้างได้วิเคราะห์ผู้สมัครทั้ง 69 รายการอย่างเข้มข้น เกณฑ์การประเมินครอบคลุมความปลอดภัย (ความต้านทานต่อการโจมตีแบบคลาสสิกและแบบควอนตัม) ประสิทธิภาพ (ขนาดกุญแจและข้อความเข้ารหัส ความเร็วในการคำนวณ) ความยืดหยุ่น (ชุดพารามิเตอร์สำหรับระดับความปลอดภัยที่แตกต่างกัน) และความเรียบง่ายในการนำไปใช้ ภายในเดือนมกราคม 2019 มีผู้สมัคร 26 รายการผ่านเข้าสู่รอบที่ 2

ผู้สมัครทั้ง 26 รายการในรอบที่ 2 ผ่านการวิเคราะห์การเข้ารหัสลับเชิงลึกและการวัดประสิทธิภาพ ผู้สมัครหลายรายการถูกทำลายหรือทำให้อ่อนแอลงในรอบนี้ รวมถึง Rainbow (แบบพหุตัวแปร) และ SIKE (แบบอิงไอโซเจนี แม้ SIKE จะถูกทำลายในรอบที่ 3 เท่านั้น) ภายในเดือนกรกฎาคม 2020 มีผู้สมัคร 15 รายการผ่านเข้าสู่รอบที่ 3 โดยแบ่งเป็นผู้เข้ารอบสุดท้าย 7 รายการและผู้สมัครสำรอง 8 รายการ

ผู้เข้ารอบสุดท้ายทั้ง 7 รายการในรอบที่ 3 ได้แก่ Kyber, NTRU และ SABER (KEM) รวมถึง Dilithium, FALCON, Rainbow และ SPHINCS+ (ลายเซ็น) SIKE เป็นผู้สมัครสำรอง แต่ถูกทำลายอย่างรุนแรงในปี 2022 NIST เลือก Kyber สำหรับการจัดทำมาตรฐาน KEM เนื่องจากมีการออกแบบที่เป็นระบบและไม่ซับซ้อน บทพิสูจน์ความปลอดภัยที่แข็งแกร่ง และประสิทธิภาพยอดเยี่ยม ส่วน Dilithium, FALCON และ SPHINCS+ ได้รับเลือกสำหรับลายเซ็น

NIST จงใจเลือกอัลกอริทึมที่อาศัยปัญหาทางคณิตศาสตร์แตกต่างกัน เพื่อลดความเสี่ยงจากความก้าวหน้าครั้งใหม่ในอนาคต ML-KEM และ ML-DSA อาศัย Module-LWE (แลตทิซ) FALCON อาศัยแลตทิซ NTRU และการสุ่มตัวอย่างแบบเกาส์เซียน SLH-DSA อาศัยเพียงความปลอดภัยของฟังก์ชันแฮช หากเกิดความก้าวหน้าที่สามารถโจมตีแลตทิซได้ SLH-DSA ก็ยังคงปลอดภัย ทำให้ชุดมาตรฐานมีความหลากหลายด้านอัลกอริทึม

ในปี 2022 NIST เปิดรอบที่ 4 โดยเฉพาะเพื่อเชิญผู้สมัครลายเซ็นเพิ่มเติม โดยมีแรงจูงใจจากความต้องการเพิ่มความหลากหลายของลายเซ็นนอกเหนือจากโครงร่างที่อาศัยแลตทิซ ผู้สมัครประกอบด้วย MAYO, CROSS, UOV และรายอื่น ๆ ที่อาศัยสมมติฐานแบบพหุตัวแปรและแบบอิงรหัส กระบวนการนี้ดำเนินไปพร้อมกับการสรุปมาตรฐานสามรายการแรก (FIPS 203, 204, 205)

NIST เผยแพร่มาตรฐาน PQC ฉบับสมบูรณ์ในเดือนสิงหาคม 2024 ได้แก่ FIPS 203 (ML-KEM ซึ่งมีพื้นฐานจาก Kyber), FIPS 204 (ML-DSA ซึ่งมีพื้นฐานจาก Dilithium) และ FIPS 205 (SLH-DSA ซึ่งมีพื้นฐานจาก SPHINCS+) คาดว่า FIPS 206 (FN-DSA ซึ่งมีพื้นฐานจาก FALCON) จะเผยแพร่ตามมา ปัจจุบันมาตรฐานเหล่านี้เป็นสิ่งที่หน่วยงานรัฐบาลกลางของ US ต้องนำมาพิจารณา และกำลังมีอิทธิพลต่อมาตรฐานทั่วโลกผ่าน ISO, ETSI และ IETF

IETF นำ PQC เข้าไปใช้ในโพรโทคอลต่าง ๆ อย่างรวดเร็ว ภายในปี 2024 ร่าง RFC สำหรับ ML-KEM ใน TLS 1.3, SSH และใบรับรอง X.509 อยู่ระหว่างการจัดทำ Cloudflare, Google และ Amazon ประกาศแผนการนำ ML-KEM ไปใช้ในชุดซอฟต์แวร์ TLS ของตน Apple ประกาศ PQ3 สำหรับ iMessage โดยใช้ ML-KEM เพื่อให้เกิดความลับส่งต่อหลังยุคควอนตัมแบบใช้แรตเช็ต และนำไปใช้กับอุปกรณ์มากกว่าหนึ่งพันล้านเครื่อง

การแข่งขันด้านการกำหนดมาตรฐานการเข้ารหัสลับแบบเปิดและร่วมมือกันของ NIST PQC แสดงให้เห็นว่ากระบวนการดังกล่าวทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในระหว่างกระบวนการ มีโครงร่างที่ได้รับการยอมรับอย่างสูงหลายโครงร่างถูกทำลายลง (GeMSS, SIKE, Rainbow) ซึ่งยืนยันถึงความสำคัญของการวิเคราะห์การเข้ารหัสลับโดยสาธารณะอย่างกว้างขวาง การแข่งขันนี้ยังช่วยกระตุ้นการพัฒนาการนำไปใช้บนฮาร์ดแวร์ที่มีประสิทธิภาพและไลบรารีโอเพนซอร์ส (liboqs, PQClean) ซึ่งเร่งให้เกิดการนำไปใช้งานจริง

การกำหนดมาตรฐานหลังยุคควอนตัมยังไม่เสร็จสมบูรณ์ NIST ยังคงประเมินโครงร่างลายเซ็นเพิ่มเติมเพื่อให้มีความหลากหลาย องค์กรกำหนดมาตรฐานทางการเงิน X9 กำลังพัฒนามาตรฐาน PQC สำหรับภาคธนาคาร ETSI และ ISO กำลังปรับมาตรฐานให้สอดคล้องกับ NIST FIPS นอกจากนี้ยังมีการพัฒนาแนวทางการย้ายระบบสำหรับภาคส่วนต่าง ๆ ได้แก่ สาธารณสุข (ผลกระทบที่เกี่ยวข้องกับ HIPAA) กลาโหม (ชุด CNSA 2.0 ของ NSA) และโทรคมนาคม (3GPP สำหรับ 5G/6G)

มีผู้สมัครกี่รายที่ผ่านจากข้อเสนอเบื้องต้นเข้าสู่รอบที่ 2 ของการแข่งขัน NIST PQC

NIST เริ่มโครงการกำหนดมาตรฐาน PQC ในปี 2016 และได้รับข้อเสนอที่สมบูรณ์ 69 รายการ การประเมินสามรอบช่วยคัดกรองโครงร่างโดยพิจารณาจากความปลอดภัย ประสิทธิภาพ และความหลากหลาย โครงร่างที่ได้รับการคัดเลือกในรอบสุดท้าย ได้แก่ Kyber (ML-KEM, FIPS 203), Dilithium (ML-DSA, FIPS 204), SPHINCS+ (SLH-DSA, FIPS 205) และ FALCON (FN-DSA, FIPS 206) การแข่งขันนี้ยืนยันคุณค่าของการวิเคราะห์การเข้ารหัสลับแบบเปิด และนำไปสู่มาตรฐานที่มีการนำไปใช้อย่างแพร่หลาย ซึ่งขณะนี้กำลังถูกรวมเข้ากับ TLS, SSH และโพรโทคอลการส่งข้อความ