bakalářská práce

Kombinace postkvantových a klasických algoritmů v TLS 1.3

Text práce 2.1 MB Příloha 158.39 kB

Autor práce: Bc. Martin Bak

Ak. rok: 2025/2026

Vedoucí: Ing. Patrik Dobiáš

Oponent: Ing. Filip Wagner

Abstrakt:

Cieľom tejto práce je analyzovať a porovnať možnosti kombinácie postkvantovej a klasickej kryptografie v protokole TLS 1.3.

Od príchodu kvantových počítačov možno s istotou povedať, že niektoré algoritmy už nebudú dostatočne bezpečné alebo efektívne v praxi. Ako reakcia na tieto hrozby sa za dlhodobé riešenie považuje postkvantová kryptografia. Keďže postkvantové algoritmy ešte neprešli tak dôkladnou analýzou ako klasické kryptografické schémy, v súčasnosti sa ako prechodné riešenie využíva hybridná kryptografia, ktorá kombinuje klasické a postkvantové algoritmy s cieľom zachovať kompatibilitu a zároveň zabezpečiť potrebnú úroveň bezpečnosti.

Práca sa zameriava na implementáciu konzolovej klient-server aplikácie, ktorá ukazuje praktické porovnanie dostupných hybridných kryptografických schém. Implementácia využíva knižnicu OpenSSL rozšírenú o poskytovateľa OQS, WolfSSL, GnuTLS a knižnicu BoringSSL, pričom všetky poskytujú rôzne hybridné a postkvantové algoritmy. Aplikácia meria vybrané parametre handshake TLS, najmä dobu trvania.

Výsledná správa poskytuje dôkladné porovnanie vybraných štandardizovaných aj zatiaľ neštandardizovaných algoritmov.

Klíčová slova:

Hybridná výmena kľúčov, Mechanizmus zapúzdrenia kľúča, liboqs, Postkvantová kryptografia, Transport Layer Security

Termín obhajoby

16.06.2026

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znamkaBznamka

Klasifikace

B

Průběh obhajoby

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.

Jazyk práce

angličtina

Fakulta

Ústav

Studijní program

Informační bezpečnost (BPC-IBE)

Složení komise

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)

Posudek vedoucího
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). Výsledný počet bodů navržený vedoucím: 91

Známka navržená vedoucím: A

Posudek oponenta
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). Otázky k obhajobě:
  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?
Výsledný počet bodů navržený oponentem: 84

Známka navržená oponentem: B

Odpovědnost: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová