雙重簽署分段式 DNSSEC：應對量子威脅的策略

核心概念

為應對量子計算對傳統數位簽章構成的威脅，本文提出了一種雙重簽署分段式 DNSSEC 方案，結合傳統和後量子數位簽章，在量子計算時代來臨前提供增強的安全保障。

要約

簡介
域名系統安全擴展 (DNSSEC) 藉由數位簽章確保域名解析的可靠性。然而，量子計算的發展威脅到傳統數位簽章的安全性。美國國家標準與技術研究院 (NIST) 選擇了一些後量子數位簽章演算法，這些演算法可在傳統電腦上運行並能抵禦量子電腦的攻擊。然而，在後量子時代完全來臨之前，僅僅將傳統數位簽章替換為後量子簽章存在風險。
雙重簽署 DNSSEC 的必要性
由於後量子數位簽章演算法仍處於發展初期，在經過全面安全分析之前，直接替換 DNSSEC 中的傳統數位簽章存在風險。因此，本文探討了在 DNSSEC 中採用雙重簽署的可行性，即結合使用後量子數位簽章和傳統數位簽章。
應對訊息大小限制的策略
雙重簽署方案的一個挑戰是簽章大小的增加，可能導致 DNSSEC 回應訊息超過允許的最大大小 (1232 位元組)。為了解決這個問題，本文提出了一種在應用層對 DNSSEC 回應訊息進行分段的方法，並詳細介紹了分段和重組的過程。
評估與結果
本文使用 BIND9 軟體建構了一個基於 Docker 的 DNSSEC 測試平台，並對雙重簽署分段式 DNSSEC 方案進行了評估。實驗結果表明，與僅使用後量子數位簽章相比，雙重簽署對 DNSSEC 解析時間的影響微乎其微。
結論
雙重簽署分段式 DNSSEC 方案為應對量子威脅提供了一種有效的解決方案，尤其適用於量子計算時代完全來臨前的過渡時期。

統計

DNSSEC 回應訊息的最大允許大小為 1232 位元組。
與僅使用後量子簽章相比，雙重簽署對 DNSSEC 解析時間的影響增加不到 9%。
FALCON 擁有比其他後量子數位簽章更短的簽章大小。
RSA 擁有比 ECDSA 更快的簽章驗證速度。

抽出されたキーインサイト

Double-Signed Fragmented DNSSEC for Countering Quantum Threat

by Syed W. Shah... 場所 arxiv.org 11-13-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.07535.pdf

深掘り質問

除了雙重簽署之外，還有哪些其他的方法可以應對量子計算對 DNSSEC 的威脅？

除了雙重簽署（Double-Signatures）之外，還有其他方法可以應對量子計算對 DNSSEC 的威脅，這些方法可以概括為以下幾點：

後量子密碼學 (Post-Quantum Cryptography, PQC)：這是最直接的應對方法，即使用能夠抵禦量子計算機攻擊的新型密碼學演算法來取代現有的密碼學演算法。NIST 正在進行後量子密碼學標準化項目，旨在評估和標準化一系列後量子密碼學演算法，包括數位簽章、金鑰封裝機制和公鑰加密演算法。

優點: 提供長期的安全保障，一旦標準化完成並部署，將能夠有效抵禦量子計算機的攻擊。
缺點: 目前後量子密碼學演算法仍在發展階段，其安全性尚未經過充分驗證，且部分演算法的密鑰大小和計算效率仍有待提升。

量子金鑰分發 (Quantum Key Distribution, QKD)：這是一種利用量子力學原理來安全分發密鑰的技術。QKD 可以確保即使攻擊者擁有量子計算機，也無法竊取密鑰。

優點: 提供基於物理定律的安全性，理論上可以抵禦任何計算能力的攻擊。
缺點: QKD 的部署成本高昂，需要專門的硬體設備，且傳輸距離有限，目前難以大規模應用。

混合方案 (Hybrid Approaches)：結合多種技術來提升安全性，例如將後量子密碼學與傳統密碼學結合使用，或將 QKD 與其他安全技術結合使用。

優點: 結合不同技術的優勢，提供更全面的安全保障。
缺點: 混合方案的設計和部署更為複雜，需要綜合考慮各種技術的特性和安全性。

如果後量子數位簽章演算法被證明存在安全漏洞，那麼雙重簽署方案是否仍然有效？

如果後量子數位簽章演算法被證明存在安全漏洞，那麼雙重簽署方案的有效性將取決於以下因素：

安全漏洞的性質和嚴重程度: 如果漏洞僅限於特定的後量子數位簽章演算法，並且可以通過更新演算法或修補漏洞來解決，那麼雙重簽署方案仍然可以提供一定的安全保障，因為傳統的數位簽章演算法仍然可以抵禦傳統的攻擊手段。然而，如果漏洞是根本性的，並且影響到所有後量子數位簽章演算法，那麼雙重簽署方案的安全性將會受到嚴重影響。
攻擊者的能力: 如果攻擊者只擁有破解後量子數位簽章演算法的能力，而無法破解傳統的數位簽章演算法，那麼雙重簽署方案仍然可以提供一定的安全保障。然而，如果攻擊者同時擁有破解兩種演算法的能力，那麼雙重簽署方案將無法提供有效的安全保障。
總而言之，雙重簽署方案在後量子數位簽章演算法存在安全漏洞的情況下，其有效性將會降低，但仍然可以提供一定的安全保障，特別是在攻擊者能力有限的情況下。然而，為了應對量子計算帶來的長期安全威脅，我們仍然需要積極發展和部署更加安全的後量子密碼學演算法。

在量子計算時代，我們如何確保網際網路基礎設施的整體安全性？

在量子計算時代，確保網際網路基礎設施的整體安全性需要採取多方面的措施：

積極發展和部署後量子密碼學: 這是應對量子計算威脅的根本途徑，需要加快後量子密碼學演算法的標準化和部署，並確保其安全性。
升級現有網際網路基礎設施: 許多現有的網際網路協議和系統都依賴於傳統的密碼學演算法，需要逐步升級到支持後量子密碼學的版本。
加強量子計算威脅情報收集和分析: 及時掌握量子計算技術的發展趨勢和潛在威脅，為應對量子計算威脅提供決策依據。
加強網路安全意識教育: 提升用戶和組織對量子計算威脅的認識，並採取相應的安全防護措施。
推動國際合作: 量子計算威脅是一個全球性挑戰，需要各國政府、企業和研究機構通力合作，共同應對。

總之，應對量子計算威脅需要從技術、管理、意識和國際合作等多個層面入手，構建全方位的網路安全防禦體系，才能確保網際網路基礎設施在量子計算時代的整體安全性。