Bachelor's Thesis

Combination of post-quantum and classical algorithms in TLS 1.3

Final Thesis 2.1 MB Appendix 158.39 kB

Author of thesis: Bc. Martin Bak

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Patrik Dobiáš

Reviewer: Ing. Filip Wagner

Abstract:

The aim of this thesis is to analyze and compare the possibilities of combining post-quantum and classical cryptography in the TLS 1.3 protocol.

Since arrival of quantum computers, it is safe to say, that some algorithms will no longer be secure or efficient enough for practical implementation. In response to this threat, post-quantum cryptography has emerged as the long-term solution. However, because post-quantum schemes are still relatively new and have not yet undergone the same level of analysis as classical algorithms, hybrid cryptography is currently considered an~important transitional approach. By combining classical and post-quantum algorithms, hybrid cryptography helps with maintaining compatibility and providing needed resilience.

The thesis focuses on the implementation of a console client–server application, which shows a practical comparison of available hybrid cryptographic schemes. The implementation uses the OpenSSL library extended by the OQS provider, WolfSSL, GnuTLS and the BoringSSL library, all of which provide support for various hybrid and post-quantum algorithms. The application measures selected TLS handshake parameters, leading with duration of the handshake.

The resulting report provides thorough comparison of both, chosen standardized and non-yet-standardized algorithms.

Keywords:

Hybrid Key Exchange, Key Encapsulation Mechanism, liboqs, OpenSSL, Post-Quantum Cryptography, Transport Layer Security

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Otázky oponenta: Jak probíhá metoda XOR-then-MAC pro tvorbu hybridních schémat? Co konkrétně označuje p384, x448 a další tato značení přítomná v práci v úvodech názvů hybridních algoritmů? Student prezentoval výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Student obhájil bakalářskou práci a odpověděl na otázky členů komise a oponenta.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Information Security (BPC-IBE)

Composition of Committee

doc. Ing. Jiří Hošek, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Petr Sysel, Ph.D. (místopředseda)
Mgr. Andrej Krištofík, Ph.D. (člen)
Ing. Martin Štůsek, Ph.D. (člen)
Ing. Radek Možný, Ph.D. (člen)
Ing. Michal Lares, Ph.D. (člen)
Ing. Patrik Dobiáš (člen)

Supervisor’s report
Ing. Patrik Dobiáš

Cílem práce bylo analyzovat současný stav kombinace postkvantové a klasické kryptografie v protokolu TLS 1.3 a implementovat konzolovou aplikaci umožňující porovnání různých kombinací knihoven a schémat. V rámci teoretické části student vhodně popsal protokol TLS a aktuální stav postkvantové kryptografie a zaměřil se na relevantní práce věnující se kombinaci postkvantové a klasické kryptografie. části student implementoval klientské a serverové aplikace umožňující navázání spojení pomocí čtyř různých knihoven s podporou PQC algoritmů. Tyto aplikace následně využil k detailnímu měření a porovnání jak jednotlivých schémat, tak i knihoven mezi sebou. Výsledky jsou prezentovány přehledně pomocí tabulek, i když by prospělo i nějaké porovnání pomocí grafů. Po formální stránce je práce na dobré úrovni, stejně jako práce s literaturou. Student v průběhu roku pravidelně konzultoval. Cíle práce jsou splněny a proto navrhuji práci k obhajobě s hodnocením A (91 bodů). Points proposed by supervisor: 91

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Filip Wagner

Bakalářská práce psaná v anglickém jazyce se zaměřuje na porovnání implementace klasické, post-kvantové a hybridní kryptografie v různých knihovnách pro potřeby navazování TLS 1.3 spojení.

Po formální stránce v práci chybí rozšířený abstrakt povinný pro práce psané v anglickém jazyce a příloha A popisuje konfigurační soubory, které nebyly v rámci elektronické přílohy popisované v příloze D s prací odevzdány. Pro replikaci měření ovšem nejsou tyto soubory potřeba. Oceňuji, že práce obsahuje více doplňujících příloh, a i nepovinné seznamy obrázků a výpisů. Z hlediska sazby je práce čistá a lze jí pouze vytknout občasné řetězení nadpisů bez úvodních textů do kapitol.

Po jazykové stránce je práce na vysoké úrovni a obsahuje jen drobné překlepy negramatického charakteru jako je „tls_Server“ na místo „tls_server” a “&” na místo „and“ v seznamu literatury.

V teoretické části student uspokojivě popisuje fungování TLS a jeho vývoj. Dále se věnuje post-kvantové kryptografii, kde shledávám hlavní, ale nepříliš závažné nedostatky práce. RFC 9420 se nevěnuje PQC, a proto nezapadá mezi ostatní odrážky na straně 22. Kapitola 3 v úvodu zmiňuje i hybridní podpisy, ale dále se jimi nezabývá. Popis přístupu XOR-then-MAC neobjasňuje, co se děje s pravou půlkou klíčů. Některé podkapitoly v kapitole 4 nemají zaznačené zdroje a student zde uvádí, že OpenSSL v základu poskytuje pouze jedno hybridní schéma, což je v rozporu s jejich oficiální dokumentací.

Práce uvádí celkem 55 zdrojů, přičemž celkem 6 z uvedených RFC publikací je zaznačeno s nefunkčním odkazem obsahujícím /pdfrfc/, což považuji za chybu při nedostatečné kontrole při užití nástrojů umělé inteligence. Nicméně jedná se o dohledatelné zdroje a práce se jejich obsahu v místě citování věnuje.

Technická zpráva je zde ve značném rozsahu, ale v jejím úvodu není přehledně prezentována. Respektive student nejprve popisuje postup kompilace kódu s využitím zkoumaných knihoven bez upozornění na nutnost jejich implementace se specifickým nastavením, které je popsáno až dále v práci při spouštění programu s využitím algoritmů z dané knihovny.

Samotný kód je na vysoké úrovni a umožňuje porovnat algoritmy až ze 4 různých knihoven. Při měření dochází k vytvoření 100 spojení mezi klientem a serverem a průměrná doba navazování je reportována. Student také implementoval testování spojení oproti zkušební OQS webové stránce.

Závěrem se v práci student věnuje prezentaci a diskusi naměřených výsledků s pomocí celkem deseti tabulek. V případě úvodních tabulek Table 6.1 a Table 6.2 není jasný zdroj uváděných hodnot a Table 6.9 má jednotky (ms) uvedené pouze v textu práce.

Celkově přes zmíněné nedostatky považuji práci pro skvělé praktické zpracování za kvalitní a navrhuji ji k obhajobě s doporučeným hodnocením B (84 bodů). Topics for thesis defence:
  1. Jak probíhá metoda XOR-then-MAC pro tvorbu hybridních schémat?
  2. Co konkrétně označuje p384, x448 a další tato značení přítomná v práci v úvodech názvů hybridních algoritmů?
Points proposed by reviewer: 84

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová