什麼是ML-KEM

美國NIST於2024年8月以FIPS 203標準化的、以格為基礎的金鑰封裝機制(KEM)。名稱是Module-Lattice-Based Key-Encapsulation Mechanism的縮寫,以CRYSTALS-Kyber為基礎。安全性的根據在於由加上小誤差的聯立一次方程式求出秘密的Module-LWE問題很困難,一般認為即使量子電腦也無法有效率地求解。有ML-KEM-512、ML-KEM-768、ML-KEM-1024三組參數。在TLS等協定中,用來取代ECDHE金鑰交換或與其組合使用。

日文名稱: ML-KEM

「ML-KEM」出現在3領域的7道練習題中(密碼學基礎與應用, 硬體安全的進階主題與趨勢, 量子電腦硬體等)。

這個名詞所屬的領域: 密碼學基礎與應用

什麼是金鑰封裝機制

KEM由金鑰產生、封裝與解封裝3個操作組成。傳送方以接收方的公開金鑰進行封裝,得到隨機的共享秘密與包住它的密文,並傳送密文。接收方以私密金鑰解封裝,得到相同的共享秘密。與迪菲-赫爾曼金鑰交換不同,傳送方不需要準備自己長期使用的金鑰對。

大小的參考

ML-KEM-768的公開金鑰(封裝金鑰)為1,184位元組,密文為1,088位元組,共享秘密為32位元組。橢圓曲線金鑰交換X25519的公開值為32位元組,因此傳送的資料大得多。另一方面,計算本身很輕,一般認為與橢圓曲線金鑰交換相比也不慢。

混合使用

為了因應對新方式的疑慮,把X25519與ML-KEM-768的共享秘密都放入金鑰衍生的混合金鑰交換(X25519MLKEM768等),截至2025年已開始在TLS 1.3中使用。只要其中一方安全,產生的金鑰就受到保護。

練習ML-KEM的題目

關於ML-KEM這類金鑰封裝機制(KEM)的使用方式,正確的是下列何者?

  1. A傳送方以自己的私密金鑰對共享秘密簽章後傳送,接收方以傳送方的公開金鑰驗證該簽章並收下秘密
  2. B傳送方由接收方的公開金鑰產生共享秘密與包住它的密文,接收方以私密金鑰取出相同的秘密
  3. C傳送方與接收方事先持有相同的對稱金鑰,以該金鑰直接加密訊息
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正確答案:B. 傳送方由接收方的公開金鑰產生共享秘密與包住它的密文,接收方以私密金鑰取出相同的秘密

KEM由金鑰產生、封裝與解封裝3個操作組成。傳送方以接收方的公開金鑰進行封裝,同時得到隨機的共享秘密與包住它的密文,只傳送密文。接收方以私密金鑰解封裝而得到相同的共享秘密,之後以由它產生的金鑰使用對稱式加密。KEM是用來共享金鑰的機制,因此驗證對方要另外使用ML-DSA等簽章。

在遷移到後量子密碼學的過程中使用的、把X25519(使用橢圓曲線的迪菲-赫爾曼金鑰交換)與ML-KEM組合的混合金鑰交換,其想法正確的是下列何者?

  1. A把兩種方式得到的共享秘密都放入金鑰衍生,只要其中一方安全,產生的金鑰就是安全的
  2. B兩種方式中,只使用在交握中先完成者的共享秘密,另一方則丟棄
  3. C在量子電腦實現之前不使用ML-KEM,先準備好兩者,等量子電腦實現時再自動切換
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正確答案:A. 把兩種方式得到的共享秘密都放入金鑰衍生,只要其中一方安全,產生的金鑰就是安全的

ML-KEM是新的方式,實作錯誤或發現新攻擊的可能性還無法充分排除。另一方面,X25519雖然對量子電腦很脆弱,但對傳統電腦的安全性有長久的實績。混合金鑰交換把兩個共享秘密串接後放入金鑰衍生函數,攻擊者必須兩者都攻破才能取得金鑰,也能防止現在被記錄的通訊在將來被量子電腦解密。截至2025年,這種組合(X25519MLKEM768等)已開始在TLS 1.3中使用。

常見問題

ML-KEM可以用來簽章嗎?

不行。ML-KEM是用來共享金鑰的機制。後量子密碼學的簽章,要使用同樣於2024年8月標準化的ML-DSA(FIPS 204)或SLH-DSA(FIPS 205)。

它與量子金鑰分發(QKD)相同嗎?

不同。ML-KEM以數學問題的困難度為基礎,可直接在一般的電腦與網路上運作。量子金鑰分發是利用光子等量子性質來共享金鑰的技術,需要專用的設備與通道。

解析中的「ML-KEM」

出現「ML-KEM」的題目(7題)

  1. 關於ML-KEM這類金鑰封裝機制(KEM)的使用方式,正確的是下列何者?
  2. 在遷移到後量子密碼學的過程中使用的、把X25519(使用橢圓曲線的迪菲-赫爾曼金鑰交換)與ML-KEM組合的混合金鑰交換,其想法正確的是下列何者?
  3. ML-KEM-768的公開金鑰為1,184位元組、密文為1,088位元組,而橢圓曲線金鑰交換X25519的公開值為32位元組。ML-KEM-768的公開金鑰是X25519公開值的幾倍,正確的是下列何者?
  4. 在ML-KEM的解封裝中,會由以私密金鑰解密所收到之密文的結果重新產生密文,並與收到的密文比較是否一致。關於這部分實作的注意事項,正確的是下列何者?
  5. 關於後量子密碼(PQC),下列敘述何者正確?
  6. 美國NIST於2024年8月公布的後量子密碼學標準與其種類的組合,正確的是下列何者?
  7. 以格為基礎的後量子密碼,會反覆進行次數 n = 256 的多項式乘法。若把所有係數兩兩相乘的單純方法約需 n² 次乘法,使用數論轉換(NTT)的方法約需 n log₂ n 次,則使用NTT後乘法次數約減為幾分之一,最接近的是下列何者?

出現這個名詞的比較

相關名詞

後量子密碼 雜湊函數 對稱式加密 迪菲-赫爾曼金鑰交換 TLS 微控制器(MCU) Shor 演算法 RSA加密 橢圓曲線密碼學 數位簽章

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