論文の概要: Faster Post-Quantum TLS 1.3 Based on ML-KEM: Implementation and Assessment

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2404.13544v2
• Date: Tue, 23 Apr 2024 03:53:09 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2024-04-24 18:27:13.927904
• Title: Faster Post-Quantum TLS 1.3 Based on ML-KEM: Implementation and Assessment
• Title（参考訳）: ML-KEMに基づく高速ポスト量子TLS 1.3の実装と評価
• Authors: Jieyu Zheng, Haoliang Zhu, Yifan Dong, Zhenyu Song, Zhenhao Zhang, Yafang Yang, Yunlei Zhao,
• Abstract要約: TLSはネットワーク上のセキュアなデータ伝送に広く利用されている。 量子脅威に対抗するためには、量子後アルゴリズムをTLSに統合することが不可欠である。 TLSプロトコルでは、ハンドシェイク性能が重要であり、後量子TLS(PQ-TLS)では、後量子鍵カプセル化機構(KEM)の性能がハンドシェイク性能に直接影響を及ぼす。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 5.483288991845528
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: TLS is extensively utilized for secure data transmission over networks. However, with the advent of quantum computers, the security of TLS based on traditional public-key cryptography is under threat. To counter quantum threats, it is imperative to integrate post-quantum algorithms into TLS. Most PQ-TLS research focuses on integration and evaluation, but few studies address the improvement of PQ-TLS performance by optimizing PQC implementation. For the TLS protocol, handshake performance is crucial, and for post-quantum TLS (PQ-TLS) the performance of post-quantum key encapsulation mechanisms (KEMs) directly impacts handshake performance. In this work, we explore the impact of post-quantum KEMs on PQ-TLS performance. We explore how to improve ML-KEM performance using the latest Intel's Advanced Vector Extensions instruction set AVX-512. We detail a spectrum of techniques devised to parallelize polynomial multiplication, modular reduction, and other computationally intensive modules within ML-KEM. Our optimized ML-KEM implementation achieves up to 1.64x speedup compared to the latest AVX2 implementation. Furthermore, we introduce a novel batch key generation method for ML-KEM that can seamlessly integrate into the TLS protocols. The batch method accelerates the key generation procedure by 3.5x to 4.9x. We integrate the optimized AVX-512 implementation of ML-KEM into TLS 1.3, and assess handshake performance under both PQ-only and hybrid modes. The assessment demonstrates that our faster ML-KEM implementation results in a higher number of TLS 1.3 handshakes per second under both modes. Additionally, we revisit two IND-1-CCA KEM constructions discussed in Eurocrypt22 and Asiacrypt23. Besides, we implement them based on ML-KEM and integrate the one of better performance into TLS 1.3 with benchmarks.
• Abstract（参考訳）: TLSはネットワーク上のセキュアなデータ伝送に広く利用されている。 しかし、量子コンピュータの出現により、従来の公開鍵暗号に基づくTLSのセキュリティは脅威にさらされている。 量子脅威に対抗するためには、量子後アルゴリズムをTLSに統合することが不可欠である。 PQ-TLSのほとんどの研究は統合と評価に重点を置いているが、PQC実装の最適化によるPQ-TLSの性能向上に対処する研究はほとんどない。 TLSプロトコルでは、ハンドシェイク性能が重要であり、後量子TLS(PQ-TLS)では、後量子鍵カプセル化機構(KEM)の性能がハンドシェイク性能に直接影響を及ぼす。 本研究では,量子後KEMがPQ-TLS性能に与える影響について検討する。 最新のIntelのAdvanced Vector Extensions命令セットAVX-512を用いてML-KEMの性能を改善する方法について検討する。 ML-KEM内の多項式乗算、モジュラーリダクション、その他の計算集約的なモジュールを並列化するために考案された技法のスペクトルを詳述する。 最適化されたML-KEM実装は,最新のAVX2実装と比較して最大1.64倍の高速化を実現している。 さらに,TLSプロトコルにシームレスに統合可能なML-KEMのバッチ鍵生成手法を提案する。 バッチ方式では、鍵生成手順を3.5倍から4.9倍に高速化する。 ML-KEMの最適化されたAVX-512実装をTLS 1.3に統合し、PQモードとハイブリッドモードの両方でハンドシェイク性能を評価する。 その結果,ML-KEM実装の高速化により,両方のモードで1秒あたりのTLS 1.3ハンドシェイク数が増加することがわかった。 さらに,Eurocrypt22とAsiacrypt23で議論されたIND-1-CCA KEMの構成について再検討した。 さらに、ML-KEMに基づいて実装し、優れたパフォーマンスの1つをベンチマークでTLS 1.3に統合する。

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