Master's Thesis

Post-Quantum Cryptography on Smart Cards and Microcontrollers

Final Thesis 2.75 MB Appendix 27.31 kB

Author of thesis: Bc. David Zeman

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Lukáš Malina, Ph.D.

Reviewer: Ing. Patrik Dobiáš

Abstract:

This master's thesis deals with the analysis, implementation, and performance evaluation of post-quantum cryptography (PQC) on resource-constrained devices, specifically on microcontrollers and smart cards. The theoretical part of the thesis maps the current state of the NIST standardization process and the technical principles of lattice-based algorithms (ML-KEM, ML-DSA) and hash-based functions (SLH-DSA). The practical part focuses on extensive benchmarking of these algorithms on the NUCLEO-F439ZI (ARM Cortex-M4) platform using the pqm4 framework and the wolfSSL cryptographic library. The measurement results demonstrate that by using optimized implementations, the deployment of PQC on modern microcontrollers is fully feasible in terms of computational performance and RAM memory limits. The thesis further documents the successful integration of a hybrid post-quantum scheme into the TLS 1.3 protocol, including the optimization of the LwIP network stack and the correction of critical bugs in the low-level interface for transmitting large PQC certificates. Given the limited availability of physical post-quantum smart cards, the work complements practical testing with an analysis of certified commercial solutions based on Common Criteria security targets.

Keywords:

Post-quantum cryptography, NIST, STM32, Cortex-M4, microcontrollers, smart cards, TLS, pqm4

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Student obhájil diplomovou práci a odpověděl na otázky členů komise a oponenta. Otázky členů komise a oponenta: - Z jakého důvodu nebyl zvolen také FALCON, vzhledem k tomu, že ostatní schémata vybraná pro standardizaci byla? - V práci zmiňujete, že je Thales MultiApp v5.2 vybavena pokročilými protiopatřeními proti SCA. Zjišťoval jste o jaké konkrétní opatření se jedná?

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Information Security (MPC-IBE)

Composition of Committee

Ing. Vlastimil Člupek, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Dejdar, Ph.D. (člen)
Ing. Patrik Dobiáš (člen)
doc. JUDr. Matěj Myška, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Dan Komosný, Ph.D. (předseda)
Ing. Radomír Svoboda, Ph.D. (člen)
Ing. Martin Rusz, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Václav Oujezský, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Lukáš Malina, Ph.D.

Diplomová práce se zabývá tématikou postkvantové kryptografie (PQC) na čipových kartách a mikrokontrolerech. V práci je vysvětlena teorie v rámci prvních dvou kapitol, které detailně pokrývají úvod do PQC, standardy a hardwarová specifika omezených zařízeních. V kapitolách 3 až 5 je pak představena praktická část zaměřená na integraci a výkonnostní testování vybraných algoritmů a knihoven s PQC na omezených platformách. Celková odborná úroveň práce je velmi dobrá. Dosažené výsledky měření paměťové náročnosti a výpočetního času na mikrokontrolerech řady STM32 jsou přehledně prezentovány formou tabulek i grafů. Výsledky měřené v cyklech i v ms umožnují základní představy náročnosti PQC schémat a dílčích operací na výpočetně omezených platformách. Zadání práce je splněno a přiložený praktický výstup v podobě modifikovaných repozitářů pqm4 a funkčního kódu pro klientskou i serverovou část (Alice a Bob) významně rozšiřuje možnosti nasazení PQC v embedded prostředí. Aktivita studenta po celou dobu řešení práce byla výborná. Student pravidelně využíval konzultace a prokázal schopnost pracovat s pokročilými kryptografickými knihovnami. Práce obsahuje nadstandartní počet zdrojů literatury (55) a vykazuje jen zřídka formální a typografické nedostatky. Práci doporučuji k obhajobě s celkovým hodnocením 98 bodů / A. Points proposed by supervisor: 98

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Patrik Dobiáš

Cílem diplomové práce byla implementace postkvantové kryptografické metody na čipové kartě nebo mikrokontroléru a její zhodnocení z pohledu výpočetní a paměťové náročnosti. V rámci teoretické části se student věnoval popisu postkvantové kryptografie, praktickým implementacím a následně stavu těchto implementací na čipových kartách a mikrokontrolerech. V rámci praktické části je kapitola 3 problematická, vzhledem k tomu, že student sám uvádí, že výkonnostní měření nepočítá cykly, ale instrukce na emulované platformě i když následně jsou v celé kapitole zmiňovány cykly. Podle mě tato část vzhledem k dostupným výsledkům přímo v rámci pqm4 projektu a také praktickým výsledkům v kapitole 5 postrádá smysl. Kapitoly 4 a 5 jsou výrazně zajímavější. V kapitole 4 úspěšně integroval PQC do protokolu MQTT pro omezené zařízení, i když by bylo vhodné doplnit konkrétní výsledky i pro tuto část. Kapitola 5 popisuje potřebné úpravy v knihovně pqm4 pro podporu zvoleného mikrokontroleru a prezentuje měření na reálném hardwaru, což považuji za nejhodnotnější část práce. Po formální stránce je práce na dobré úrovni, obsahuje občasné překlepy (např. mlčenslivosti, rabulka), a u některých seznamů s odrážkami nekonzistentní s malými/velkými písmeny. S literaturou pracuje dobře, celkově 55 zdrojů, z nichž velkou část tvoří vědecké příspěvky nebo standardy. I přes zmíněné nedostatky je vidět, že se student s prací úspěšně popral a proto navrhuji práci k obhajobě s hodnocením A (90 bodů). Topics for thesis defence:
  1. Z jakého důvodu nebyl zvolen také FALCON, vzhledem k tomu, že ostatní schémata vybraná pro standardizaci byla?
  2. V práci zmiňujete, že je Thales MultiApp v5.2 vybavena pokročilými protiopatřeními proti SCA. Zjišťoval jste o jaké konkrétní opatření se jedná?
Points proposed by reviewer: 90

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová