Scenario 7.2: Key Encapsulation (ML-KEM)

Categoria: Crittografia
Complessità: Media
Prerequisiti: Coppia chiavi ML-KEM
Tempo stimato: 15-20 minuti

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

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

Raccomandazione: ML-KEM-768 per la maggior parte delle applicazioni (BSI raccomanda almeno 192-bit).

Workflow

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

Esempio codice: Generare coppia di chiavi

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}");

Esempio codice: Encapsulation (Mittente)

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")
);

Esempio codice: Decapsulation (Destinatario)

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")
);

Classe wrapper per ML-KEM

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
}

Gestione errori

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;
}

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.

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