💻 computer science

PQ-SEAL, Post-Quantum Secure Embedded Architecture with Leakage-Resilient AES on Ibex RV32IMC

Dit artikel presenteert PQ-SEAL, een bare-metal RISC-V implementatie op een FPGA die NIST-gestandaardiseerde post-quantum cryptografie integreert met een lek-resistent AES-128 rekeying-schema, waarmee een 31-voudige verbetering in weerstand tegen Correlation Power Analysis-aanvallen wordt aangetoond zonder extra hardwarekosten.

Oorspronkelijke auteurs: Charan Kasimahanti

Gepubliceerd 2026-08-11

📖 6 min leestijd🧠 Diepgaand

CC BY 4.0

Oorspronkelijke auteurs: Charan Kasimahanti

Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer

Het Digitale Fort en de Kwantumstorm

Stel je het internet voor als een enorme, drukke stad waar iedereen geheime brieven naar elkaar stuurt. Om deze brieven veilig te houden, gebruiken we "sloten" (encryptie) die zo complex zijn dat zelfs de beste wiskundigen ter wereld ze niet kunnen kraken zonder de sleutel. Decennialang waren deze sloten ongelooflijk sterk. Echter, wetenschappers zijn bezig met het bouwen van een nieuw soort gereedschap: een "kwantumcomputer". Denk hierbij niet aan een snellere rekenmachine, maar aan een magische meestersleutel die bijna al onze huidige sloten binnen enkele seconden kan openen. Als iemand deze machine bouwt, kunnen al onze geheime brieven direct worden gelezen, zelfs als ze jaren geleden zijn geschreven. Dit is een groot probleem omdat slechteriken nu al onze geheime brieven stelen en opslaan, wachtend op de dag dat ze deze kunnen ontcijferen.

Om dit te stoppen, ontwerpen experts nieuwe sloten die "kwantumbestendig" zijn. Deze nieuwe sloten zijn gebaseerd op complexe wiskundige puzzels die zelfs een kwantumcomputer niet gemakkelijk kan oplossen. Maar er is een addertje onder het gras: het maken van deze nieuwe sloten vereist veel denkkracht en geheugen, wat moeilijk te passen is in kleine apparaten zoals slimme sensoren of eenvoudige chips. Bovoltrecht, zelfs als de wiskunde perfect is, zou een sluwe aanvaller kunnen proberen de sleutel te stelen door te kijken naar hoeveel elektriciteit het apparaat verbruikt terwijl het werkt. Dit artikel onderzoekt hoe je een kleine, supersterke, kwantumbestendige vesting kunt bouwen op een zeer kleine, eenvoudige chip, terwijl je ook een magisch schild plaatst dat iedereen die probeert te spioneren op het stroomverbruik in verwarring brengt.

De Kleine Bewaker: PQ-SEAL

Maak kennis met PQ-SEAL, een project gecreëerd door een onderzoeker genaamd Charan Kasimahanti van het Indian Institute of Technology Madras. Het doel was om een volledig, veilig communicatiesysteem te bouwen op een piepkleine, bare-metal computerchip (specifiek een Ibex RV32IMC draaiend op een FPGA-board) die bijna geen geheugen heeft—slechts 64 KB RAM, wat minder is dan één enkele foto met een hoge resolutie. Normaal gesproken is het passen van geavanceerde beveiliging op zo'n kleine chip alsof je een semi-vrachtwagen probeert te parkeren in een fietsenhok.

De onderzoekers slaagden erin om twee enorme taken in deze kleine ruimte te persen:

De Kwantumbestendige Handdruk: Ze implementeerden een nieuwe, door NIST gestandaardiseerde manier om sleutels uit te wisselen met behulp van ML-KEM en ML-DSA. Dit is de "handdruk" waarbij twee computers zeggen: "Hallo, ik ben wie ik zeg dat ik ben, en hier is een geheime sleutel die we kunnen gebruiken."
Het Lekbestendig Schild: Ze voegden een speciale truc toe genaamd LR4 rekeying om de eigenlijke berichten te beschermen die na de handdruk worden verzonden.

Hoe de Handdruk Werkt

Stel je twee spionnen voor die elkaar ontmoeten in een park. In plaats van een geheim te fluisteren, voeren ze een complexe dans uit.

De Groet: De kleine chip (het "Board") stuurt een publieke ID-kaart (800 bytes) naar een krachtige computer (de "Host").
De Magische Truk: De krachtige computer doet het zware werk. Het gebruikt de ID-kaart om een geheime code en een digitale handtekening te creëren, en stuurt deze vervolgens terug.
De Verificatie: De kleine chip controleert de handtekening. Als deze geldig is, gebruiken beide zijden een speciale wiskundige functie (SHAKE-128) om de gedeelde geheime code om te zetten in een definitieve 32-byte sessiesleutel.

Deze hele dans duurde slechts 0,9 seconden op de kleine chip, die draaide op 50 MHz. Dat is ongelooflijk snel voor een apparaat zonder besturingssysteem en zonder extra geheugenhulpmiddelen.

Het Magische Schild: LR4 Rekeying

Zodra de handdruk voltooid is, beginnen de twee zijden met het versturen van versleutelde berichten. Hier wordt het papier echt slim. Normaal gesproken, als een aanvaller de processen van een apparaat bij het versleutelen van berichten observeert, kan hij uiteindelijk de sleutel achterhalen door het stroomverbruik te analyseren (een methode genaamd Correlation Power Analysis of CPA). Het is alsof je luistert naar een klaspraatje bij een kluisbreker; als de cijfers elke keer op dezelfde manier klikken, kun je de combinatie raden.

Het artikel introduceert een tegenmaatregel genaamd LR4 rekeying. In plaats van voor altijd dezelfde sleutel te gebruiken, verandert het systeem de sleutel elke 10 blokken aan gegevens.

De Analogie: Stel je voor dat je een geheim bericht in een doos stuurt. Een normaal slot gebruikt voor elke doos dezelfde sleutel. Een spion kijkt toe hoe je 100 dozen afsluit en ontdekt uiteindelijk de sleutel.
De PQ-SEAL Truk: Elke keer dat je de 10e doos afsluit, verandert het slot automatisch zijn interne mechanisme naar een volledig nieuwe, willekeurige sleutel. De spion kijkt naar de eerste 10 dozen, raakt in de war, en dan verandert het slot. Ze moeten weer helemaal opnieuw beginnen.

De onderzoekers testten dit door 300 paren berichten en hun versleutelde resultaten te verzamelen.

Zonder het schild (Plain AES): De spion kon de sleutel achterhalen met een "rank" van 4 (wat betekent dat de echte sleutel een van de top 4 gissingen was) na 300 pogingen.
Met het schild (LR4): De beste gok van de spion bleef steken op een "rank" van 124.

Dit betekent dat de aanvaller 31 keer meer in verwarring en onzekerheid was wanneer het schild actief was. Het artikel bewijst dat deze verbetering plaatsvond zonder dat er extra hardware of speciale chips nodig waren; het werd volledig in software gedaan.

De Praktijktest

Om aan te tonen dat dit niet alleen een wiskundige puzzel was, bouwde het team een live, versleutelde messaging-app. Gebruikers konden groepschats en directe berichten sturen. De kleine chip op het FPGA-board versleutelde elk bericht voordat het werd verzonden, en de krachtige computer versleutelde het weer. Het systeem werkte soepel, wat bewees dat je zelfs op een kleine, beperkte chip een veilige, kwantumbestendige conversatie kunt hebben die ook nog eens veilig is voor spionnen die via het stroomverbruik te werk gaan.

Wat Dit Betekent

Het artikel beweert niet dat het alle problemen in de wereld heeft opgelost. De onderzoekers geven toe dat hun tests werden uitgevoerd in een gecontroleerde softwarematige simulatie van het stroomverbruik, en niet met fysieke stroommeters op de eigenlijke chip. Ze merkten ook op dat de code verbeterd kan worden om timingaanvallen te voorkomen (waarbij een spion de sleutel raadt op basis van hoe lang een berekening duurt).

De resultaten zijn echter een sterk bewijs van concept. Ze hebben aangetoond dat je de nieuwste, meest veilige kwantumbestendige standaarden kunt draaien op een kleine, goedkope chip zonder besturingssysteem, en dat je een krachtig verdedigingsmechanisme tegen fysieke spionage kunt toevoegen door simpelweg de frequentie waarmee je van sleutel wisselt te veranderen. Het is een stap naar een toekomst waarin zelfs de kleinste apparaten veilig kunnen blijven tegen zowel kwantumcomputers als sluwe spionnen.

Technische Samenvatting: PQ-SEAL

Probleemstelling

De standaardisatie van Post-Quantum Cryptography (PQC) algoritmen door NIST (specifiek FIPS 203 voor ML-KEM en FIPS 204 voor ML-DSA) vereist de migratie van cryptografische infrastructuur naar kwantumresistente protocollen. De implementatie van deze standaarden op hulpbronnenbeperkte embedded systemen brengt echter een dubbele uitdaging met zich mee:

Computationele beperkingen: Embedded processoren (bijv. IoT-apparaten, FPGA softcores) werken vaak met beperkt RAM (<64 KB), lage kloksnelheden (<100 MHz) en missen besturingssystemen of hardwareversnellers. De rekenkundige eisen van lattice-gebaseerde PQC (Number-Theoretic Transform voor polynoomvermenigvuldiging) zijn aanzienlijk voor in-order pipelines zonder multiply-accumulate acceleratie.
Fysieke laag kwetsbaarheden: Hoewel PQC de dreiging van kwantumcomputers aanpakt, blijft de symmetrische laag die de data beschermt (typisch AES) kwetsbaar voor side-channel aanvallen. Specifiek kan Correlation Power Analysis (CPA) AES-sleutels herstellen uit slechts enkele honderden vermogenssporen (power traces). Bestaande PQC-implementaties op embedded platforms verwaarlozen vaak side-channel tegenmaatregelen op de symmetrische laag, terwijl bestaande leakage-resilient (LR) schema's vaak uitgaan van klassieke sleutelafstemming in plaats van PQC.

Er bestaat een gat in de literatuur voor een volledig, end-to-end systeem dat een post-quantum handshake integreert met een bewezen leakage-resilient symmetrisch encryptieschema op een bare-metal RISC-V softcore binnen strikte geheugenbeperkingen.

Methodologie

De auteur presenteert PQ-SEAL (Post-Quantum Secure Embedded Architecture with Leakage-Resilient AES), geïmplementeerd op een Ibex RV32IMC softcore draaiend op een Xilinx Artix-7 FPGA.

Systeemarchitectuur

Hardware Platform: Het systeem draait op een Nexys 4 DDR board waarbij de Ibex-core op 50 MHz werkt met een gezamenlijk budget van 64 KB SRAM. Er wordt geen OS, geen heap allocator of externe cryptografische bibliotheken gebruikt.
Firmware Voetafdruk: De firmware neemt 53 KB van de 64 KB SRAM in beslag. Sleutels voor ML-KEM en ML-DSA worden tijdens compile-tijd in .rodata opgeslagen om runtime key generation overhead en de noodzaak voor een hardware True Random Number Generator (TRNG) op het bare-metal doelwit te vermijden.
Communicatie: Het bord communiceert met een host PC via een geframeerd UART-kanaal (115200 baud). De host voert alle lattice-gebaseerde rekenkunde uit (ML-KEM encapsulatie, ML-DSA ondertekening, SHAKE-128 afleiding) met behulp van liboqs en PQClean, terwijl het bord de symmetrische encryptie en rekeying afhandelt.

Protocolontwerp

Het systeem voert een vijfstaps PQ-TLS Handshake uit:

Client Hello: Het bord stuurt zijn ML-KEM-512 publieke sleutel (800 B) naar de host.
Host Encapsulatie: De host voert lokaal ML-KEM-512 encapsulatie uit om een ciphertext en een gedeelde geheime sleutel te genereren.
Host Ondertekening: De host ondertekent een hash van de publieke sleutel en de ciphertext met ML-DSA-44.
Server Hello: De host stuurt de ciphertext, de publieke sleutel en de handtekening (totaal 4504 B) naar het bord.
Verificatie & Sleutelafleiding: Het bord verifieert de handtekening, leidt de sessiesleutel ( $K_s$ ) af met behulp van SHAKE-128 uit de gedeelde geheime sleutel, en stuurt een bevestiging.

Symmetrische Laag & LR4 Rekeying

Communicatie na de handshake maakt gebruik van AES-128-CTR. Om CPA te mitigeren, implementeert het systeem het LR4 rekeying schema (uit Fallen Sanctuary [12]):

Mechanisme: De sleutel wordt bijgewerkt elke $m=10$ blokken met de recursie $K_{i+1} = \text{AES}_{K_i}(K_i)$ .
IV Generatie: IV's worden afgeleid via SHAKE-128 om hergebruik van counters over epoch-grenzen heen te voorkomen.
Theoretische Basis: Deze constructie is bewezen resistent tegen exponentiële aanroepen tot de birthday bound van de sleutelgrootte zonder een lekvrije sanctuary te vereisen, wat effectief het nuttige trace-budget van een aanvaller per sleutel-epoch begrenst.

Evaluatie

Functionele Verificatie: Het systeem voltooide succesvol 10 opeenvolgende handshakes met deterministische sessiesleutels. Alle 300 AES-blokken over 30 rekeying-events kwamen overeen met een software referentie-implementatie.
Side-Channel Analyse (CPA): De auteur verzamelde $N=300$ $N = 300$ plaintext-ciphertext paren van de hardware. Een software CPA-aanval werd uitgevoerd gericht op de Hamming Weight van de eerste AES SubBytes operatie.
- Fixed-Key AES: De sleutelrang daalde naar 4 bij 300 traces, wat duidt op bijna volledige herstel.
- LR4 Rekeying: De sleutelrang bleef op 124 gedurende de 300 traces. Elk rekeying event (elke 10 traces) reset de correlatie-accumulatie, waardoor de aanvaller wordt verhinderd de ware sleutelbyte te discrimineren.

Belangrijkste Bijdragen

Systeemintegratie: De eerste volledige implementatie van een ML-KEM-512 + ML-DSA-44 post-quantum handshake op een bare-metal Ibex RV32IMC binnen een 64 KB SRAM beperking, met een handshake latentie van 0,9 seconden bij 50 MHz.
Implementatie van Tegenmaatregelen: De inzet van het LR4 rekeying schema ( $K_{i+1} = \text{AES}_{K_i}(K_i)$ met $m=10$ ) als een zero-hardware-overhead tegenmaatregel tegen CPA op een softcore.
Empirische Validatie: Een software CPA evaluatie die een 31× verbetering in sleutelrang (van 4 naar 124) aantoont door enkel rekeying te gebruiken, inclusioneel met volledige statistische validatie van de ciphertext uniformiteit (entropie, avalanche effect, chi-kwadraat tests).
Applicatie Demonstratie: Een real-time, rolgebaseerd versleuteld berichtplatform gebouwd bovenop het beveiligde kanaal, wat de inzet van het systeem valideert in een multi-user scenario.

Resultaten

Prestaties: De 53 KB firmware voetafdruk laat 11 KB SRAM headroom over. De handshake voltooit in 0,9 seconden. De AES throughput wordt beperkt door de UART baud rate (115200) in plaats van de processorcapaciteit, wat ongeveer 10 blokken per seconde oplevert.
Beveiliging: Het LR4 schema heeft de monotone correlatie opbouw die nodig is voor CPA succesvol verstoord. Terwijl de fixed-key AES kwetsbaar was (Rang 4), behield het rekeyed systeem een hoge onzekerheid (Rang 124), zonder extra hardwarekosten.
Statistische Eigenschappen: Ciphertexts uit zowel fixed-key als rekeyed modi waren statistisch ononderscheidbaar (Shannon entropie ≈7,99 bits/byte, Chi-kwadraat $p > 0,05$ ), wat bevestigt dat rekeying geen statistische artefacten introduceert die detecteerbaar zijn door standaard cryptografische analyse.

Betekenis en Claims

Het artikel claimt de eerste end-to-end integratie te bieden van NIST-gestandaardiseerde post-quantum sleutelafstemming met een bewezen leakage-resilient symmetrische laag op een bare-metal RISC-V softcore.

De auteur benadrukt dat PQ-SEAL een getrouwe software baseline vormt voor de 64 KB bare-metal deployment omgeving, waarmee wordt bewezen dat:

Volledige PQC handshakes haalbaar zijn op beperkte softcores zonder OS ondersteuning.
Leakage-resilient symmetrische encryptie kan worden bereikt op dergelijke platforms zonder hardwareversnellers of significante prestatieverliezen.
De combinatie van PQC en LR4 een robuuste verdediging creëert tegen zowel kwantumdreigingen (via ML-KEM/DSA) als fysieke side-channel aanvallen (via LR4 rekeying).

Het werk wordt gepresenteerd als een open, reproduceerbare fundering voor toekomstig onderzoek naar post-quantum beveiligde kanalen op embedded RISC-V platforms. De auteur merkt beperkingen op, waaronder de afhankelijkheid van software-gebaseerde CPA evaluatie (in plaats van fysieke EM/vermogensmetingen) en het gebruik van niet-constant-time NTT implementaties, wat als primaire richtingen voor toekomstig werk wordt geïdentificeerd.