JS `Post-Quantum Cryptography` (`PQ-Crypto`) 的 `WebAssembly` 实现与未来安全

各位好，欢迎来到今天的“后量子密码学与WebAssembly：安全，不止于‘量子纠缠’”讲座！我是你们今天的安全向导，准备带大家一起探索后量子密码学（PQ-Crypto）在WebAssembly（Wasm）世界里的神奇冒险。

第一幕：量子危机与后量子英雄

首先，咱们先来聊聊为啥需要后量子密码学。想象一下，你辛辛苦苦设置的密码，在未来的某一天，被一台量子计算机轻松破解，是不是感觉世界观崩塌了？这就是量子计算机带来的威胁。量子计算机擅长解决一些经典计算机难以处理的问题，其中就包括破解我们现在广泛使用的公钥密码体系，比如RSA和椭圆曲线密码学（ECC）。

所以，我们得未雨绸缪，寻找能够抵抗量子计算机攻击的密码算法，这就是后量子密码学（Post-Quantum Cryptography，简称PQ-Crypto）的使命。

PQ-Crypto并非单一的算法，而是一系列被认为能够抵抗量子计算机攻击的密码算法的总称。目前，比较热门的PQ-Crypto算法主要分为以下几类：

基于格的密码学 (Lattice-based Cryptography): 比如Kyber、Dilithium、NTRU等。它的安全性基于格中一些难题的求解，比如最短向量问题（SVP）和最近向量问题（CVP）。
基于编码的密码学 (Code-based Cryptography): 比如Classic McEliece。它的安全性基于解码一般线性码的难度。
基于多变量的密码学 (Multivariate Cryptography): 比如Rainbow。它的安全性基于求解多变量方程组的难度。
基于哈希的签名 (Hash-based Signatures): 比如SPHINCS+。它的安全性基于哈希函数的抗碰撞性。
基于同源的密码学 (Isogeny-based Cryptography): 比如SIKE (虽然SIKE后来被破解了，但同源密码学仍然是一个重要的研究方向)。它的安全性基于寻找椭圆曲线之间的同源的难度。

第二幕：WebAssembly 的闪亮登场

WebAssembly（Wasm）是一种新型的二进制指令集，设计目标是成为Web平台的通用编译目标。简单来说，你可以用C、C++、Rust等语言编写代码，然后编译成Wasm，就可以在Web浏览器中高效运行。

Wasm的优势在于：

高性能: Wasm 接近原生机器码的执行速度，比 JavaScript 快得多。
跨平台: Wasm 可以在不同的浏览器和操作系统上运行。
安全性: Wasm 运行在一个沙箱环境中，可以防止恶意代码访问系统资源。
体积小: Wasm 文件通常比等效的 JavaScript 文件小。

由于这些优势，Wasm非常适合实现对性能要求较高的密码学算法。

第三幕：PQ-Crypto + Wasm = 未来安全？

将PQ-Crypto算法用Wasm实现，可以带来以下好处：

Web应用安全升级: Web应用可以直接在浏览器中使用PQ-Crypto算法，无需依赖服务器端的支持，从而提高Web应用的安全性。
更广泛的应用场景: Wasm 可以嵌入到各种环境中，比如浏览器、Node.js、IoT设备等，这意味着PQ-Crypto算法可以应用到更广泛的场景中。
性能优化: Wasm 的高性能可以加速PQ-Crypto算法的运算，提高安全效率。

第四幕：代码实战：Kyber KEM in Wasm

接下来，咱们通过一个简单的例子，展示如何在Wasm中实现PQ-Crypto算法。这里我们选择Kyber，一种基于格的密钥封装机制（Key Encapsulation Mechanism，KEM）。Kyber是NIST后量子密码标准化项目中的胜出者，也是目前被认为最有希望取代传统公钥密码的算法之一。

为了简化示例，我们使用Rust语言编写Kyber KEM的代码，然后将其编译成Wasm。

1. Rust 依赖设置

首先，我们需要创建一个Rust项目，并添加必要的依赖。

cargo new kyber_wasm --lib
cd kyber_wasm
cargo add pqcrypto --features kyber768-90s
cargo add wasm-bindgen

这里我们使用了 pqcrypto crate，它包含了多种PQ-Crypto算法的Rust实现。我们启用了 kyber768-90s 特性，这意味着我们选择Kyber768的90s安全性等级的变体。wasm-bindgen crate 用于将Rust代码编译成Wasm，并方便地与JavaScript进行交互。

2. Rust 代码 (src/lib.rs)

use pqcrypto::kem::kyber768_90s::{keypair, encapsulate, decapsulate, PublicKey, Ciphertext, SecretKey};
use wasm_bindgen::prelude::*;

#[wasm_bindgen]
pub fn generate_keypair() -> JsValue {
    let (pk, sk) = keypair();

    let pk_vec: Vec<u8> = pk.into();
    let sk_vec: Vec<u8> = sk.into();

    let result = serde_wasm_bindgen::to_value(&(pk_vec, sk_vec)).unwrap();
    result
}

#[wasm_bindgen]
pub fn encapsulate_wasm(public_key_bytes: Vec<u8>) -> JsValue {

    let public_key = PublicKey::from_bytes(&public_key_bytes).unwrap();
    let (ciphertext, shared_secret) = encapsulate(&public_key);

    let ciphertext_vec: Vec<u8> = ciphertext.into();
    let shared_secret_vec: Vec<u8> = shared_secret.into();

    let result = serde_wasm_bindgen::to_value(&(ciphertext_vec, shared_secret_vec)).unwrap();
    result
}

#[wasm_bindgen]
pub fn decapsulate_wasm(ciphertext_bytes: Vec<u8>, secret_key_bytes: Vec<u8>) -> Vec<u8> {
    let ciphertext = Ciphertext::from_bytes(&ciphertext_bytes).unwrap();
    let secret_key = SecretKey::from_bytes(&secret_key_bytes).unwrap();

    let shared_secret = decapsulate(&ciphertext, &secret_key);

    shared_secret.into()
}

这段代码定义了三个函数：

generate_keypair(): 生成Kyber密钥对（公钥和私钥）。
encapsulate_wasm(): 使用公钥进行密钥封装，生成密文和共享密钥。
decapsulate_wasm(): 使用私钥解封装密文，恢复共享密钥。

wasm-bindgen 宏用于将这些函数暴露给JavaScript。我们使用serde_wasm_bindgen库将Rust数据结构序列化为JavaScript可以理解的数据结构。这允许我们在JavaScript和Rust之间轻松传递复杂的数据，例如包含公钥和私钥的元组。

3. 编译成 Wasm

在 Cargo.toml 文件中添加以下内容：

[lib]
crate-type = ["cdylib"]

[dependencies]
pqcrypto = { version = "0.6", features = ["kyber768-90s"] }
wasm-bindgen = "0.2"
serde = { version = "1.0", features = ["derive"] }
serde_wasm_bindgen = "0.5"

[profile.release]
lto = true
opt-level = "z"

然后，执行以下命令编译成Wasm：

wasm-pack build --target web

这将在 pkg 目录下生成 Wasm 文件 (kyber_wasm.wasm) 和 JavaScript 胶水代码 (kyber_wasm.js)。

4. JavaScript 代码 (index.html)

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <meta charset="utf-8">
    <title>Kyber KEM in Wasm</title>
</head>
<body>
    <h1>Kyber KEM in Wasm</h1>
    <button id="generateKeypair">Generate Keypair</button>
    <button id="encapsulate">Encapsulate</button>
    <button id="decapsulate">Decapsulate</button>
    <p id="output"></p>

    <script type="module">
        import init, { generate_keypair, encapsulate_wasm, decapsulate_wasm } from './pkg/kyber_wasm.js';

        async function run() {
            await init();

            let publicKey, secretKey, ciphertext;

            document.getElementById('generateKeypair').addEventListener('click', () => {
                const keypair = generate_keypair();
                const [pk_vec, sk_vec] = JSON.parse(JSON.stringify(keypair));
                publicKey = new Uint8Array(pk_vec);
                secretKey = new Uint8Array(sk_vec);
                document.getElementById('output').textContent = 'Keypair generated!';
            });

            document.getElementById('encapsulate').addEventListener('click', () => {
                if (!publicKey) {
                    document.getElementById('output').textContent = 'Please generate keypair first!';
                    return;
                }
                const encapsulationResult = encapsulate_wasm(publicKey);
                const [ciphertext_vec, shared_secret_encap_vec] = JSON.parse(JSON.stringify(encapsulationResult));
                ciphertext = new Uint8Array(ciphertext_vec);
                const sharedSecretEncap = new Uint8Array(shared_secret_encap_vec);
                document.getElementById('output').textContent = `Encapsulated. Shared secret (encapsulation): ${Array.from(sharedSecretEncap).slice(0,10).join(',')}...`; // Show first 10 bytes
            });

            document.getElementById('decapsulate').addEventListener('click', () => {
                if (!ciphertext || !secretKey) {
                    document.getElementById('output').textContent = 'Please generate keypair and encapsulate first!';
                    return;
                }
                const sharedSecretDecap = decapsulate_wasm(ciphertext, secretKey);
                document.getElementById('output').textContent = `Decapsulated. Shared secret (decapsulation): ${Array.from(sharedSecretDecap).slice(0,10).join(',')}...`; // Show first 10 bytes
            });
        }

        run();
    </script>
</body>
</html>

这段代码：

导入了 Wasm 模块。
定义了三个按钮，分别对应生成密钥对、密钥封装和密钥解封装操作。
点击按钮时，调用相应的 Wasm 函数，并将结果显示在页面上。

5. 运行

将 index.html 文件放在与 pkg 目录相同的目录下，然后在浏览器中打开 index.html，就可以看到运行结果了。你应该能看到按钮，点击它们，观察输出。

重要提示: 这个例子只是为了演示PQ-Crypto在Wasm中的基本用法。在实际应用中，你需要考虑更多的安全因素，比如密钥管理、随机数生成等。

第五幕：挑战与未来展望

虽然PQ-Crypto + Wasm 有着美好的前景，但也面临着一些挑战：

性能优化: 虽然Wasm 性能很高，但PQ-Crypto算法的运算量仍然很大，需要进一步优化。
标准化: PQ-Crypto算法还在发展中，需要进行标准化，才能更好地推广应用。
安全性评估: PQ-Crypto算法的安全性需要经过严格的评估，才能确保其能够抵抗量子计算机的攻击。
密钥管理: 如何安全地生成、存储和使用密钥是一个重要的课题。
侧信道攻击: 需要防范侧信道攻击，比如计时攻击、功耗攻击等。

未来，我们可以期待：

更多PQ-Crypto算法的Wasm实现。
更高效的Wasm编译器和运行时。
更完善的PQ-Crypto标准。
PQ-Crypto在Web应用、物联网设备等领域的广泛应用。

第六幕：总结

今天我们一起探索了后量子密码学在WebAssembly世界里的应用。虽然面临着一些挑战，但PQ-Crypto + Wasm 有着巨大的潜力，可以为我们的未来安全保驾护航。记住，安全不是一蹴而就的，而是一个持续进化的过程。让我们一起努力，迎接后量子时代的到来！

希望今天的讲座对大家有所帮助。谢谢大家！

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