====== KeyDerivationExtensions ======

**Namespace:** ''WvdS.System.Security.Cryptography.KeyDerivation''

Statische Klasse für Schlüsselableitung (Key Derivation Functions) mit Post-Quantum Support. Unterstützt HKDF, PBKDF2 und Argon2id.

===== Übersicht =====

Unterstützte KDF-Algorithmen:

^ KDF ^ Standard ^ Verwendung ^
| HKDF | RFC 5869 | Session-Keys aus Shared Secrets |
| PBKDF2 | RFC 8018 | Passwort-basierte Schlüssel |
| Argon2id | RFC 9106 | Memory-hard KDF (Passwörter) |

===== HKDF - Hash-based Key Derivation =====

==== DeriveKey ====

Leitet Schlüssel aus einem Shared Secret ab (HKDF-Extract-then-Expand).

<code csharp>
// ML-KEM Shared Secret aus Key Exchange
byte[] sharedSecret = session.SharedSecret;

// Standard-Ableitung (SHA-256)
byte[] aesKey = KeyDerivationExtensions.DeriveKey(
    sharedSecret,
    outputLength: 32);  // 256 Bit

// Mit Salt und Context-Info
byte[] salt = RandomNumberGenerator.GetBytes(32);
byte[] info = Encoding.UTF8.GetBytes("MyApp-Session-Key");

byte[] sessionKey = KeyDerivationExtensions.DeriveKey(
    sharedSecret,
    outputLength: 32,
    salt: salt,
    info: info,
    hashAlgorithm: HashAlgorithmName.SHA384);  // Optional
</code>

==== HkdfExtract ====

Extrahiert PRK (Pseudorandom Key) aus Input Key Material.

<code csharp>
byte[] inputKeyMaterial = GetSharedSecret();
byte[] salt = RandomNumberGenerator.GetBytes(32);

byte[] prk = KeyDerivationExtensions.HkdfExtract(
    inputKeyMaterial,
    salt: salt,
    hashAlgorithm: HashAlgorithmName.SHA256);

// PRK hat gleiche Länge wie Hash-Output (32 Bytes bei SHA-256)
</code>

==== HkdfExpand ====

Expandiert PRK zu Output Key Material.

<code csharp>
byte[] prk = GetPrk();

// Encryption Key
byte[] encKey = KeyDerivationExtensions.HkdfExpand(
    prk,
    outputLength: 32,
    info: Encoding.UTF8.GetBytes("encryption"));

// MAC Key
byte[] macKey = KeyDerivationExtensions.HkdfExpand(
    prk,
    outputLength: 32,
    info: Encoding.UTF8.GetBytes("mac"));
</code>

===== Hybrid Key Derivation =====

Kombiniert klassische (ECDH/DH) und PQ (ML-KEM) Shared Secrets.

==== DeriveHybridKey ====

<code csharp>
byte[] ecdhSecret = GetEcdhSharedSecret();
byte[] mlKemSecret = GetMlKemSharedSecret();

// Hybrid-Modus: Beide Secrets werden kombiniert
byte[] hybridKey = KeyDerivationExtensions.DeriveHybridKey(
    classicSecret: ecdhSecret,
    pqSecret: mlKemSecret,
    outputLength: 32,
    mode: CryptoMode.Hybrid);

// Nur klassisch
byte[] classicKey = KeyDerivationExtensions.DeriveHybridKey(
    classicSecret: ecdhSecret,
    pqSecret: null,
    outputLength: 32,
    mode: CryptoMode.Classic);

// Nur Post-Quantum
byte[] pqKey = KeyDerivationExtensions.DeriveHybridKey(
    classicSecret: null,
    pqSecret: mlKemSecret,
    outputLength: 32,
    mode: CryptoMode.PostQuantum);

// Custom Info
byte[] customKey = KeyDerivationExtensions.DeriveHybridKey(
    classicSecret: ecdhSecret,
    pqSecret: mlKemSecret,
    outputLength: 64,
    mode: CryptoMode.Hybrid,
    info: Encoding.UTF8.GetBytes("MyProtocol-v1"));
</code>

**Schlüssel-Kombination:**

<code>
Hybrid Mode:
  IKM = classicSecret || pqSecret
  Key = HKDF-SHA256(IKM, info="WvdS-Hybrid-Key")
</code>

==== DeriveHybridKeyMaterial ====

Leitet mehrere Schlüssel für verschiedene Zwecke ab.

<code csharp>
using HybridKeyMaterial keyMaterial = KeyDerivationExtensions.DeriveHybridKeyMaterial(
    classicSecret: ecdhSecret,
    pqSecret: mlKemSecret,
    mode: CryptoMode.Hybrid);

// Verwendung
byte[] encKey = keyMaterial.EncryptionKey;  // 32 Bytes
byte[] macKey = keyMaterial.MacKey;         // 32 Bytes
byte[] iv = keyMaterial.Iv;                 // 16 Bytes
byte[] authKey = keyMaterial.AuthKey;       // 32 Bytes

// IDisposable: Schlüssel werden sicher gelöscht
</code>

===== PBKDF2 - Passwort-basierte Ableitung =====

==== Pbkdf2 ====

<code csharp>
string password = "SecurePassword123!";
byte[] salt = RandomNumberGenerator.GetBytes(32);

// Standard PBKDF2
byte[] key = KeyDerivationExtensions.Pbkdf2(
    password,
    salt,
    iterations: 100000,
    outputLength: 32);

// Mit PQ-Entropy (zusätzlicher Schutz)
byte[] pqEntropy = GetPqEntropy();

byte[] enhancedKey = KeyDerivationExtensions.Pbkdf2(
    password,
    salt,
    iterations: 100000,
    outputLength: 32,
    pqEntropy: pqEntropy,  // Wird mit Salt kombiniert
    hashAlgorithm: HashAlgorithmName.SHA512);
</code>

==== Pbkdf2WithPqSalt ====

PBKDF2 mit PQ-verstärktem Salt (Public Key wird in Salt-Berechnung einbezogen).

<code csharp>
string password = "UserPassword";
byte[] baseSalt = RandomNumberGenerator.GetBytes(16);
byte[] mlKemPublicKey = GetRecipientPublicKey();

// Salt = SHA256(baseSalt || pqPublicKey)
byte[] key = KeyDerivationExtensions.Pbkdf2WithPqSalt(
    password,
    baseSalt,
    mlKemPublicKey,
    iterations: 100000,
    outputLength: 32);
</code>

<note tip>
**Vorteil:** Selbst bei identischem Passwort und Base-Salt ergibt sich für jeden Empfänger (unterschiedlicher PQ Public Key) ein anderer Schlüssel.
</note>

===== Argon2id - Memory-Hard KDF =====

Argon2id via OpenSSL 3.6 - widerstandsfähig gegen GPU/ASIC-Angriffe.

==== Argon2id (Byte-Array) ====

<code csharp>
byte[] password = Encoding.UTF8.GetBytes("SecurePassword");
byte[] salt = RandomNumberGenerator.GetBytes(16);  // Mindestens 16 Bytes

byte[] key = KeyDerivationExtensions.Argon2id(
    password,
    salt,
    outputLength: 32,     // Key-Länge
    iterations: 3,        // Zeit-Kosten (t)
    memoryKiB: 65536,     // Speicher: 64 MB
    parallelism: 4);      // Threads (p)
</code>

==== Argon2id (String) ====

<code csharp>
string password = "UserPassword123";
byte[] salt = RandomNumberGenerator.GetBytes(16);

byte[] key = KeyDerivationExtensions.Argon2id(
    password,
    salt,
    outputLength: 32,
    iterations: 3,
    memoryKiB: 65536,
    parallelism: 4);
</code>

**Empfohlene Parameter:**

^ Anwendung ^ Iterations (t) ^ Memory (m) ^ Parallelism (p) ^
| Passwort-Hashing | 3 | 64 MB | 4 |
| Hohe Sicherheit | 4 | 256 MB | 4 |
| Low-Memory | 4 | 16 MB | 4 |

===== TLS Key Derivation =====

==== DeriveTlsKeys (TLS 1.2 Style) ====

<code csharp>
byte[] preMasterSecret = GetPreMasterSecret();
byte[] clientRandom = GetClientRandom();
byte[] serverRandom = GetServerRandom();

using TlsKeyMaterial keys = KeyDerivationExtensions.DeriveTlsKeys(
    preMasterSecret,
    clientRandom,
    serverRandom,
    mode: CryptoMode.Hybrid);

// Verwendung
var clientKey = keys.ClientWriteKey;   // 32 Bytes
var serverKey = keys.ServerWriteKey;   // 32 Bytes
var clientIv = keys.ClientWriteIv;     // 12 Bytes
var serverIv = keys.ServerWriteIv;     // 12 Bytes
</code>

==== DeriveTls13Keys ====

TLS 1.3 kompatible Key Schedule.

<code csharp>
byte[]? pskSecret = null;  // Pre-Shared Key (optional)
byte[] ecdhSecret = GetEcdhSecret();
byte[] pqSecret = GetMlKemSecret();
byte[] clientHello = GetClientHelloBytes();
byte[] serverHello = GetServerHelloBytes();

using Tls13KeySchedule schedule = KeyDerivationExtensions.DeriveTls13Keys(
    pskSecret,
    ecdhSecret,
    pqSecret,
    clientHello,
    serverHello,
    mode: CryptoMode.Hybrid);

// Handshake Traffic Secrets
var clientHsSecret = schedule.ClientHandshakeTrafficSecret;
var serverHsSecret = schedule.ServerHandshakeTrafficSecret;

// Application Traffic Secrets
var clientAppSecret = schedule.ClientApplicationTrafficSecret;
var serverAppSecret = schedule.ServerApplicationTrafficSecret;

// Resumption Secret
var resumptionSecret = schedule.ResumptionMasterSecret;
</code>

===== Datenklassen =====

==== HybridKeyMaterial ====

Container für abgeleitete Schlüssel mit sicherer Speicherbereinigung.

^ Eigenschaft ^ Typ ^ Länge ^ Beschreibung ^
| ''EncryptionKey'' | byte[] | 32 | AES-Schlüssel |
| ''MacKey'' | byte[] | 32 | HMAC-Schlüssel |
| ''Iv'' | byte[] | 16 | Initialisierungsvektor |
| ''AuthKey'' | byte[] | 32 | Authentifizierungsschlüssel |

<code csharp>
using HybridKeyMaterial keys = DeriveKeys();

// Keys werden bei Dispose() sicher gelöscht
// (CryptographicOperations.ZeroMemory)
</code>

==== TlsKeyMaterial ====

TLS 1.2 Style Schlüsselmaterial.

^ Eigenschaft ^ Typ ^ Beschreibung ^
| ''MasterSecret'' | byte[] | 48 Bytes Master Secret |
| ''ClientWriteKey'' | byte[] | Client-seitiger Verschlüsselungsschlüssel |
| ''ServerWriteKey'' | byte[] | Server-seitiger Verschlüsselungsschlüssel |
| ''ClientWriteIv'' | byte[] | Client-seitiger IV |
| ''ServerWriteIv'' | byte[] | Server-seitiger IV |
| ''ClientWriteMacKey'' | byte[] | Client MAC Key (leer bei GCM) |
| ''ServerWriteMacKey'' | byte[] | Server MAC Key (leer bei GCM) |

==== Tls13KeySchedule ====

TLS 1.3 Key Schedule.

^ Eigenschaft ^ Typ ^ Beschreibung ^
| ''ClientHandshakeTrafficSecret'' | byte[]? | Client Handshake Traffic Secret |
| ''ServerHandshakeTrafficSecret'' | byte[]? | Server Handshake Traffic Secret |
| ''ClientApplicationTrafficSecret'' | byte[]? | Client Application Traffic Secret |
| ''ServerApplicationTrafficSecret'' | byte[]? | Server Application Traffic Secret |
| ''ResumptionMasterSecret'' | byte[]? | Session Resumption Secret |

===== Methoden-Übersicht =====

==== HKDF ====

^ Methode ^ Parameter ^ Rückgabe ^
| ''DeriveKey'' | byte[] sharedSecret, int outputLength, byte[]? salt, byte[]? info, HashAlgorithmName? | byte[] |
| ''HkdfExtract'' | byte[] ikm, byte[]? salt, HashAlgorithmName? | byte[] |
| ''HkdfExpand'' | byte[] prk, int outputLength, byte[]? info, HashAlgorithmName? | byte[] |

==== Hybrid ====

^ Methode ^ Parameter ^ Rückgabe ^
| ''DeriveHybridKey'' | byte[]? classicSecret, byte[]? pqSecret, int outputLength, CryptoMode, byte[]? info | byte[] |
| ''DeriveHybridKeyMaterial'' | byte[]? classicSecret, byte[]? pqSecret, CryptoMode | HybridKeyMaterial |

==== PBKDF2 ====

^ Methode ^ Parameter ^ Rückgabe ^
| ''Pbkdf2'' | string password, byte[] salt, int iterations, int outputLength, byte[]? pqEntropy, HashAlgorithmName? | byte[] |
| ''Pbkdf2WithPqSalt'' | string password, byte[] baseSalt, byte[] pqPublicKey, int iterations, int outputLength | byte[] |

==== Argon2id ====

^ Methode ^ Parameter ^ Rückgabe ^
| ''Argon2id'' | byte[] password, byte[] salt, int outputLength, int iterations, int memoryKiB, int parallelism | byte[] |
| ''Argon2id'' | string password, byte[] salt, int outputLength, int iterations, int memoryKiB, int parallelism | byte[] |

==== TLS ====

^ Methode ^ Parameter ^ Rückgabe ^
| ''DeriveTlsKeys'' | byte[] preMasterSecret, byte[] clientRandom, byte[] serverRandom, CryptoMode | TlsKeyMaterial |
| ''DeriveTls13Keys'' | byte[]? psk, byte[]? ecdh, byte[]? pq, byte[] clientHello, byte[] serverHello, CryptoMode | Tls13KeySchedule |

===== Vollständiges Beispiel =====

<code csharp>
using WvdS.System.Security.Cryptography;
using WvdS.System.Security.Cryptography.KeyDerivation;
using WvdS.System.Security.Cryptography.KeyExchange;

// 1. Key Exchange durchführen
using var session = new KeyExchangeService();
await session.InitiateKeyExchangeAsync(recipientPublicKey, CryptoMode.Hybrid);

// 2. Hybrid Key Material ableiten
using HybridKeyMaterial keys = KeyDerivationExtensions.DeriveHybridKeyMaterial(
    classicSecret: session.ClassicSharedSecret,
    pqSecret: session.PqSharedSecret,
    mode: CryptoMode.Hybrid);

// 3. Schlüssel verwenden
using var aes = Aes.Create();
aes.Key = keys.EncryptionKey;

using var hmac = new HMACSHA256(keys.MacKey);

// 4. Verschlüsselung durchführen
// ...

// 5. Schlüssel werden automatisch sicher gelöscht
</code>

===== Sicherheitshinweise =====

<note warning>
  * Alle ''IDisposable'' Klassen implementieren ''CryptographicOperations.ZeroMemory''
  * Argon2id benötigt OpenSSL 3.6 (nicht in .NET BCL verfügbar)
  * PBKDF2 mit weniger als 100.000 Iterationen wird nicht empfohlen
  * Salt muss bei PBKDF2/Argon2id immer zufällig und ausreichend lang sein (min. 16 Bytes)
</note>

<note tip>
**Hybrid-Modus Sicherheit:**

Im Hybrid-Modus wird der endgültige Schlüssel nur kompromittiert, wenn BEIDE Secrets (klassisch UND PQ) gebrochen werden. Dies bietet Schutz sowohl gegen klassische als auch gegen Quantenangriffe.
</note>

===== Siehe auch =====

  * [[.:start|KeyDerivation Namespace]]
  * [[.:hybridkeymaterial|HybridKeyMaterial]]
  * [[.:tlskeymaterial|TlsKeyMaterial]]
  * [[.:tls13keyschedule|Tls13KeySchedule]]
  * [[..:keyexchange:start|KeyExchange Namespace]]
  * [[..:encryption:start|Encryption Namespace]]
  * [[de:int:pqcrypt:konzepte:algorithmen:ml-kem|ML-KEM Algorithmus]]

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//Wolfgang van der Stille @ EMSR DATA d.o.o. - Post-Quantum Cryptography Professional//