diplomová práce

Postkvantová kryptografie na čipových kartách a mikrokontrolerech

Text práce 2.75 MB Příloha 27.31 kB

Autor práce: Ing. David Zeman

Ak. rok: 2025/2026

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

Oponent: Ing. Patrik Dobiáš

Abstrakt:

Tato diplomová práce se zabývá analýzou, implementací a výkonnostním vyhodnocením postkvantové kryptografie (PQC) na zařízeních s omezenými zdroji, konkrétně na mikrokontrolerech a čipových kartách. Teoretická část práce mapuje současný stav standardizačního procesu institutu NIST a technické principy algoritmů založených na mřížkách (ML-KEM, ML-DSA) a hašovacích funkcích (SLH-DSA). Praktická část je zaměřena na rozsáhlé benchmarkování těchto algoritmů na platformě NUCLEO-F439ZI (ARM Cortex-M4) s využitím frameworku pqm4 a kryptografické knihovny wolfSSL. Výsledky měření prokazují, že při využití optimalizovaných implementací je nasazení PQC na moderní mikrokontrolery plně realizovatelné z hlediska výpočetního výkonu i paměťových limitů RAM. Práce dále dokumentuje úspěšnou integraci hybridního postkvantového schématu do protokolu TLS 1.3, včetně optimalizace síťového stacku LwIP a opravy kritických chyb v nízkoúrovňovém rozhraní pro přenos objemných PQC certifikátů. Vzhledem k omezené dostupnosti fyzických postkvantových čipových karet práce doplňuje praktické testování o analýzu certifikovaných komerčních řešení na základě bezpečnostních cílů Common Criteria.

Klíčová slova:

Postkvantová kryptografie, NIST, STM32, Cortex-M4, mikrokontroléry, čipové karty, TLS, pqm4

Termín obhajoby

09.06.2026

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znamkaAznamka

Klasifikace

A

Průběh obhajoby

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?

Jazyk práce

čeština

Fakulta

Ústav

Studijní program

Informační bezpečnost (MPC-IBE)

Složení komise

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)

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. Výsledný počet bodů navržený vedoucím: 98

Známka navržená vedoucím: A

Posudek oponenta
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). Otázky k obhajobě:
  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?
Výsledný počet bodů navržený oponentem: 90

Známka navržená oponentem: A

Odpovědnost: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová