~~NOTOC~~
====== Scenario 7.2: Key Encapsulation (ML-KEM) ======

<WRAP round info>
**Categoria:** [[.:start|Crittografia]] \\
**Complessità:** Media \\
**Prerequisiti:** Coppia chiavi ML-KEM \\
**Tempo stimato:** 15-20 minuti
</WRAP>

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===== Descrizione =====

Questo scenario descrive la **Key Encapsulation** con ML-KEM (Module-Lattice-based Key Encapsulation Mechanism, NIST FIPS 203). ML-KEM è un meccanismo di Key Encapsulation (KEM) Post-Quantum, sicuro contro attacchi di computer quantistici.

**KEM vs. Key Exchange:**
^  Aspetto  ^  Key Exchange (DH)  ^  Key Encapsulation (KEM)  ^
| Interattività | Entrambe le parti attive | Solo mittente attivo |
| Generazione chiave | Calcolata insieme | Generata casualmente |
| Applicazione | TLS Handshake | Crittografia, TLS ibrido |

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===== Set di parametri ML-KEM =====

^  Parametri  ^  Sicurezza  ^  Chiave pubblica  ^  Ciphertext  ^  Shared Secret  ^
| **ML-KEM-512** | 128-bit | 800 Bytes | 768 Bytes | 32 Bytes |
| **ML-KEM-768** | 192-bit | 1.184 Bytes | 1.088 Bytes | 32 Bytes |
| **ML-KEM-1024** | 256-bit | 1.568 Bytes | 1.568 Bytes | 32 Bytes |

<WRAP round tip>
**Raccomandazione:** ML-KEM-768 per la maggior parte delle applicazioni (BSI raccomanda almeno 192-bit).
</WRAP>

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===== Workflow =====

<mermaid>
flowchart LR
    subgraph Destinatario
        GEN[KeyGen] --> PK[Chiave pubblica]
        GEN --> SK[Chiave segreta]
    end

    subgraph Mittente
        PK --> ENC[Encapsulate]
        ENC --> CT[Ciphertext]
        ENC --> SS1[Shared Secret]
    end

    subgraph Destinatario2[Destinatario]
        CT --> DEC[Decapsulate]
        SK --> DEC
        DEC --> SS2[Shared Secret]
    end

    SS1 -.->|uguale| SS2

    style SS1 fill:#e8f5e9
    style SS2 fill:#e8f5e9
</mermaid>

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===== Esempio codice: Generare coppia di chiavi =====

<code csharp>
using WvdS.Security.Cryptography.X509Certificates.Extensions.PQ;

using var ctx = PqCryptoContext.Initialize();

// Generare coppia di chiavi ML-KEM-768
using var mlKemKeyPair = ctx.GenerateKeyPair(PqAlgorithm.MlKem768);

// Esportare chiave pubblica (per il mittente)
var publicKeyPem = mlKemKeyPair.PublicKey.ToPem();
File.WriteAllText("recipient-mlkem.pub.pem", publicKeyPem);

// Salvare chiave privata cifrata
mlKemKeyPair.ToEncryptedPemFile("recipient-mlkem.key.pem", "SecurePassword!");

Console.WriteLine("Coppia chiavi ML-KEM-768 generata:");
Console.WriteLine($"  Chiave pubblica: {mlKemKeyPair.PublicKey.GetRawData().Length} Bytes");
Console.WriteLine($"  Algorithm OID: {mlKemKeyPair.PublicKey.Oid.Value}");
</code>

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===== Esempio codice: Encapsulation (Mittente) =====

<code csharp>
using var ctx = PqCryptoContext.Initialize();

// Caricare chiave pubblica destinatario
var recipientPublicKey = ctx.LoadPublicKey("recipient-mlkem.pub.pem");

// Eseguire Key Encapsulation
var (ciphertext, sharedSecret) = ctx.Encapsulate(recipientPublicKey);

Console.WriteLine($"Encapsulation completata:");
Console.WriteLine($"  Ciphertext: {ciphertext.Length} Bytes");
Console.WriteLine($"  Shared Secret: {sharedSecret.Length} Bytes");
Console.WriteLine($"  Shared Secret (hex): {Convert.ToHexString(sharedSecret)}");

// Inviare ciphertext al destinatario
File.WriteAllBytes("ciphertext.bin", ciphertext);

// Usare Shared Secret per cifratura
var encryptionKey = ctx.DeriveKey(
    sharedSecret,
    outputLength: 32,
    info: Encoding.UTF8.GetBytes("aes-encryption-key")
);
</code>

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===== Esempio codice: Decapsulation (Destinatario) =====

<code csharp>
using var ctx = PqCryptoContext.Initialize();

// Caricare chiave privata
var privateKey = ctx.LoadPrivateKey("recipient-mlkem.key.pem", "SecurePassword!");

// Ricevere ciphertext
var ciphertext = File.ReadAllBytes("ciphertext.bin");

// Eseguire Decapsulation
var sharedSecret = ctx.Decapsulate(privateKey, ciphertext);

Console.WriteLine($"Decapsulation completata:");
Console.WriteLine($"  Shared Secret: {sharedSecret.Length} Bytes");
Console.WriteLine($"  Shared Secret (hex): {Convert.ToHexString(sharedSecret)}");

// Derivare stessa chiave del mittente
var decryptionKey = ctx.DeriveKey(
    sharedSecret,
    outputLength: 32,
    info: Encoding.UTF8.GetBytes("aes-encryption-key")
);
</code>

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===== Classe wrapper per ML-KEM =====

<code csharp>
public class MlKemService
{
    private readonly PqCryptoContext _ctx;

    public MlKemService()
    {
        _ctx = PqCryptoContext.Initialize();
    }

    public (byte[] PublicKey, byte[] PrivateKey) GenerateKeyPair(MlKemParameterSet paramSet = MlKemParameterSet.MlKem768)
    {
        var algorithm = paramSet switch
        {
            MlKemParameterSet.MlKem512 => PqAlgorithm.MlKem512,
            MlKemParameterSet.MlKem768 => PqAlgorithm.MlKem768,
            MlKemParameterSet.MlKem1024 => PqAlgorithm.MlKem1024,
            _ => throw new ArgumentException("Set di parametri non valido")
        };

        using var keyPair = _ctx.GenerateKeyPair(algorithm);
        return (
            keyPair.PublicKey.GetRawData(),
            keyPair.PrivateKey.GetRawData()
        );
    }

    public (byte[] Ciphertext, byte[] SharedSecret) Encapsulate(byte[] publicKey)
    {
        using var pubKey = _ctx.ImportPublicKey(publicKey);
        return _ctx.Encapsulate(pubKey);
    }

    public byte[] Decapsulate(byte[] privateKey, byte[] ciphertext)
    {
        using var privKey = _ctx.ImportPrivateKey(privateKey);
        return _ctx.Decapsulate(privKey, ciphertext);
    }
}

public enum MlKemParameterSet
{
    MlKem512,
    MlKem768,
    MlKem1024
}
</code>

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===== Gestione errori =====

<code csharp>
try
{
    var sharedSecret = ctx.Decapsulate(privateKey, ciphertext);
}
catch (CryptographicException ex) when (ex.Message.Contains("decapsulation"))
{
    // Decapsulation fallita - Ciphertext manipolato o chiave errata
    Console.WriteLine("Decapsulation fallita: Ciphertext non valido");
    throw new SecurityException("Verifica integrità fallita", ex);
}
catch (ArgumentException ex)
{
    // Formato errato
    Console.WriteLine($"Errore formato: {ex.Message}");
    throw;
}
</code>

<WRAP round important>
**Nota di sicurezza:** ML-KEM è IND-CCA2 sicuro. In caso di errori di decapsulation viene restituito un valore deterministico ma imprevedibile (rifiuto implicito). Questo previene attacchi Chosen-Ciphertext.
</WRAP>

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===== Parametri specifici per settore =====

^  Settore  ^  Parametro raccomandato  ^  Motivazione  ^
| **IT standard** | ML-KEM-768 | Buon equilibrio |
| **Settore finanziario** | ML-KEM-768/1024 | Requisiti normativi |
| **Sanità** | ML-KEM-768 | Protezione dati a lungo termine |
| **Governo** | ML-KEM-1024 | Massima sicurezza |
| **IoT/Embedded** | ML-KEM-512 | Risorse limitate |

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===== Scenari correlati =====

^  Relazione  ^  Scenario  ^  Descrizione  ^
| **Applicazione** | [[.:hybrid_encryption|7.1 Crittografia ibrida]] | Combinazione con classico |
| **Applicazione** | [[.:file_encryption|7.3 Crittografia file]] | Utilizzo pratico |
| **Correlato** | [[it:int:pqcrypt:szenarien:schluessel:generierung|11.1 Generazione chiavi]] | Key Generation |
| **Correlato** | [[it:int:pqcrypt:szenarien:tls:hybrid_tls|10.4 TLS ibrido]] | TLS con ML-KEM |

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{{tag>scenario crittografia ml-kem kem post-quantum fips203}}

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