學位論文

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Subject: search.filters.subject.Post-Quantum Cryptography

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    透過混合式 NTT/FFT 分段設計提升 Kyber 演算法之 Side-Channel Attack 抵抗能力
    (2025) 鄭琮達; Cheng, Tsung-Ta
    量子計算技術的快速發展使傳統公鑰加密演算法面臨潛在破解風險，後量子密碼學（Post-Quantum Cryptography, PQC）因而成為資訊安全的重要發展方向。Kyber 作為基於網格問題的代表性 PQC 演算法，雖具備強大的抗量子攻擊能力，但在硬體實作層面仍存在旁通道攻擊（Side-Channel Attack, SCA）的風險。特別是解密流程中的多項式乘法，因其執行時間高度穩定，易被攻擊者藉由時序分析推測密鑰資訊。為降低此風險，本研究提出一種結合數論變換（NTT）與快速傅立葉變換（FFT）的混合式分段運算架構，應用於 Kyber 的解密流程。該架構將多項式拆分為多段子多項式，並在每段運算中隨機選擇使用 NTT 或 FFT，使解密執行時間呈現不規律性，以干擾攻擊者的時間分析。研究以 Chipyard 開源硬體平台為基礎，整合 RISC-V 處理器與 FFT 硬體加速器，並於 Genesys2 FPGA 上進行實作與驗證。實驗結果顯示，所提出的混合式架構在不影響解密正確性的前提下，能有效增加執行時間的隨機性，並保持在可接受的硬體資源消耗範圍內。此結果證實該設計具備實作可行性及抗時間型 SCA 的潛力，為未來後量子密碼學的安全部署提供實用參考。
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    Chipyard 架構之後量子密碼簽章開源平台實作與效能分析：以 SPHINCS+ 為例
    (2025) 陳昱誠; Chen, Yu-Cheng
    隨著量子計算技術的迅速進展，傳統公鑰密碼系統將面臨被破解的潛在風險。SPHINCS+ 是一種基於雜湊函數的後量子數位簽章演算法，具備對量子計算攻擊的抵抗能力。SPHINCS+ 演算法允許私鑰重複使用且無需追蹤使用次數，兼具高度安全性與可預測性，特別適合應用於對資訊安全具有高度要求的嵌入式裝置。然而，SPHINCS+ 本身計算過程複雜且速度慢，對於資源受限系統構成明顯的效能瓶頸。 為解決此問題，本研究採用開源 RISC-V SoC 設計平台 Chipyard，整合 Rocket Core 處理器與 RoCC（Rocket Custom Coprocessor）硬體協同處理器介面， 導入 SHA3 開源硬體加速器以提升關鍵雜湊運算效率，實現 RISC-V 後量子密碼 硬體架構。系統架構中結合 SPHINCS+ 中的三種簽章演算法：FORS、WOTS+ 與 多層 Merkle Tree，進行軟硬體整合設計，聚焦於 SHA3 雜湊運算之硬體加速優化。 實驗結果顯示所提出的硬體加速設計可顯著降低 SPHINCS+ 簽章生成與驗證延 遲，同時透過參數集調整，使其更適用應用於嵌入式系統實際部署，達成高效且安 全之後量子密碼簽章實作。
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    基於後量子密碼學的物聯網資安強化技術
    (2022) 鍾佳欽; Chung, Chia-Chin
    隨著科技的發展愈加進步、成熟，物聯網的應用也逐漸邁向多元化，於此同時，物聯網安全性的問題也漸漸浮出檯面。物聯網系統中有許多安全性問題有待解決，有鑑於此，物聯網安全需更加重視。如今，由於量子電腦的技術逐漸成熟，對於現有的公鑰密碼系統產生威脅，進而直接影響到TLS協定的安全性，導致物聯網的安全性降低。理想的解決方法是找到一種適用於物聯網且能夠抵抗量子電腦攻擊的輕量級演算法，目前學術界以後量子密碼學 (Post-Quantum Cryptography, PQC) 為主要趨勢，是一種能夠抵抗量子電腦攻擊的公鑰加密演算法。本研究將支援PQC演算法的TLS協定整合到物聯網常見的MQTT協定上，使得PQC演算法能在物聯網中使用，以強化物聯網安全性。我們進行了PQC演算法在物聯網情境下的性能測試，透過數據分析來比較演算法之間的差異，評估PQC演算法在物聯網的可行性。實驗結果顯示，大多數PQC演算法都保持在可承受的延遲和封包開銷範圍內，一些PQC演算法的表現甚至不遜於傳統的非對稱加密演算法。在應用方面，我們將PQC演算法應用在真實的物聯網系統--空氣盒子上，使得空氣盒子的傳輸通訊更加安全。我們希望這項研究能夠鼓勵更多人將PQC應用到物聯網裝置中，在量子電腦攻擊之前盡快部署。