量子计算威胁下Java应用的安全防护：技术剖析与实践

在科技飞速发展的当下，众多公司与研究团队全力投入实现量子霸权的研究，使得量子计算机超越传统计算机运算效率的未来愈发临近。量子计算虽蕴含着巨大的潜力，但也给现有加密体系带来了严峻挑战。一旦量子计算机具备破解当前加密算法的能力，大量基于现有加密技术保护的数据和通信都将面临风险，“先窃取，后解密”的攻击策略可能成为现实。在此背景下，Java应用如何构建有效的防御机制，抵御量子攻击，成为了亟待解决的关键问题。

量子计算对加密的威胁及应对标准

量子计算借助量子力学原理，实现了远超传统计算机的运算效率。“Y2Q” 或 “Q日” 所代表的时刻，即量子计算机能够破解当前加密算法之时，届时众多现行加密技术将失效。非对称加密尤其容易受到这种计算能力提升的冲击，“先窃取，后解密” 策略便是攻击者利用这一潜在威胁的手段，他们先获取当前无法解密的加密数据，等待量子计算能力成熟时再进行解密。

为应对这一威胁，2024 年 8 月 13 日，美国国家标准与技术研究院（NIST）发布了首批三个后量子密码学标准的最终版本。后量子密码学（PQC）算法旨在抵御传统与量子计算机发起的网络攻击，其基于数学复杂性和计算技术，有望替代易受量子攻击的现有加密算法。

Java 平台积极响应 NIST 建议，在 JDK 21 中引入密钥封装机制 API（KEM API），并在 JDK 24 中进一步推出密钥派生函数 API、基于模块格的密钥封装机制（ML - KEM）以及基于模块格的数字签名算法（ML - DSA），助力 Java 应用抵抗量子攻击。

相关技术概念解析

1. 公钥密码学与混合公钥加密（HPKE）

公钥密码学自 1976 年迪菲（Diffie）和赫尔曼（Hellman）发表《密码学的新方向》后诞生。随着计算技术发展，安全威胁不断变化，混合公钥加密（HPKE）应运而生。它是一种新的公钥加密标准，允许发送方在接收方公钥下加密任意长度消息，支持基于非对称密钥的安全通信，可应用于前量子和后量子时代。

2. Java 中的密钥封装机制（KEM）API

从 JDK 21 起，Java 通过 KEM API 和 Diffie - Hellman KEM（DHKEM）算法实现接纳 HPKE。KEM API 包含三个核心组件：

• 密钥对生成函数：借助 KeyPairGenerator API 生成公钥和私钥对。例如：

import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;

public class KeyPairGeneratorExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("DH");
            KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
            System.out.println("Public key: " + keyPair.getPublic());
            System.out.println("Private key: " + keyPair.getPrivate());
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

• 密钥封装函数：发送方调用此函数，输入接收方公钥，输出共享密钥值和该密钥值的密文（封装）。只有持有对应私钥的接收方才能解开共享密钥。
• 密钥解封函数：接收方使用此函数，输入密文和自己的私钥，计算出共享密钥值。

3. 密钥派生函数（KDF）

从 KEM 的共享密钥出发，HPKE 需计算一系列派生密钥用于消息加密和认证。密钥派生函数（KDF）读取输入的密钥材料和可选参数，执行提取新密钥材料或扩展密钥材料流的操作。

在 Java 24 中，通过 javax.crypto.KDF 类和三个 HKDFParameterSpec 子类预览 KDF API。每个 KDF 有两个基本操作：

• 实例化与初始化：通过 KDF::getInstance 创建并初始化 KDF。
• 派生：接受密钥材料、可选输入和输出参数，生成派生密钥或数据。例如：

import javax.crypto.KDF;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.HKDFParameterSpec;
import java.security.SecureRandom;
import java.security.spec.InvalidKeySpecException;

public class KDFExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 假设已有共享密钥
            byte[] sharedSecret = new byte[32];
            SecureRandom random = new SecureRandom();
            random.nextBytes(sharedSecret);

            // 实例化与初始化
            HKDFParameterSpec spec = new HKDFParameterSpec("salt".getBytes(), "info".getBytes(), 32);
            KDF kdf = KDF.getInstance("HKDF", "SunJCE");
            kdf.init(spec);

            // 派生
            SecretKey derivedKey = kdf.generate(sharedSecret);
            System.out.println("Derived key: " + derivedKey);
        } catch (NoSuchAlgorithmException | NoSuchProviderException | InvalidKeySpecException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

4. 基于模块格的组件（ML - KEM 和 ML - DSA）

JDK 24 集成了基于模块格的密钥封装机制（ML - KEM）和基于模块格的数字签名算法（ML - DSA），为 HPKE 在当前及后量子时代保障通信安全提供支持。

• ML - KEM：应用协议中，基于格的 KEM 可在量子计算机普及后替代 DHKEM 实现密钥封装。JDK 24 提供 KeyPairGenerator API 生成 ML - KEM 密钥对，KEM API 基于 ML - KEM 密钥对协商共享密钥。例如：

import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;

public class MLKEMKeyPairGeneratorExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("ML - KEM");
            KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
            System.out.println("ML - KEM Public key: " + keyPair.getPublic());
            System.out.println("ML - KEM Private key: " + keyPair.getPrivate());
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

同时，可使用 keytool 命令生成 ML - KEM 密钥对和证书。

• ML - DSA：用于满足抗量子数字签名需求。同样可使用 KeyPairGenerator API 获取 ML - DSA 密钥对，或用 keytool 命令生成。私钥用于生成签名，公钥用于验证签名。例如：

import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.Signature;
import java.security.SignatureException;

public class MLDSAExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("ML - DSA");
            KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();

            // 模拟消息
            byte[] message = "Hello, Quantum - Resistant World!".getBytes();

            // 使用私钥签名
            Signature signature = Signature.getInstance("ML - DSA");
            signature.initSign(keyPair.getPrivate());
            signature.update(message);
            byte[] signedMessage = signature.sign();

            // 使用公钥验证签名
            signature.initVerify(keyPair.getPublic());
            signature.update(message);
            boolean isValid = signature.verify(signedMessage);
            System.out.println("Signature is valid: " + isValid);
        } catch (NoSuchAlgorithmException | SignatureException | InvalidKeyException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

抗量子安全消息传递示例

以下展示一个简化的抗量子安全消息传递示例，演示 KDF、ML - KEM 和 ML - DSA 如何协同工作：

假设爱丽丝（Alice）和鲍勃（Bob）希望在不安全信道上安全交换消息。

1. 密钥生成：
   • 鲍勃生成 ML - KEM 密钥对。

KeyPairGenerator bobKeyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("ML - KEM");
KeyPair bobKeyPair = bobKeyPairGenerator.generateKeyPair();

2. 密钥交换：
   • 爱丽丝使用鲍勃的公钥调用 KEM API 的密钥封装函数，加密共享密钥。

KEM kem = KEM.getInstance("ML - KEM");
byte[] sharedSecret = kem.encapsulate(bobKeyPair.getPublic());

- 鲍勃使用自己的私钥和 KEM API 的密钥解封函数获取共享密钥。

byte[] bobSharedSecret = kem.decapsulate(sharedSecret, bobKeyPair.getPrivate());

3. 消息加密与签名：
   • 爱丽丝将共享密钥作为 KDF 输入，生成加密密钥，使用 AEAD 加密消息，并使用 DSA 私钥签名。

// KDF 生成加密密钥
HKDFParameterSpec kdfSpec = new HKDFParameterSpec("salt".getBytes(), "info".getBytes(), 32);
KDF kdf = KDF.getInstance("HKDF", "SunJCE");
kdf.init(kdfSpec);
SecretKey encryptionKey = kdf.generate(sharedSecret);

// 使用 AEAD 加密消息
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, encryptionKey);
byte[] encryptedMessage = cipher.doFinal("Hello, Bob!".getBytes());

// 使用 DSA 私钥签名
Signature aliceSignature = Signature.getInstance("ML - DSA");
aliceSignature.initSign(aliceDSAPrivateKey);
aliceSignature.update(encryptedMessage);
byte[] signedMessage = aliceSignature.sign();

4. 消息接收与验证：
   • 鲍勃收到消息后，使用爱丽丝的公钥验证签名，再用共享密钥解密消息。

// 验证签名
Signature bobSignature = Signature.getInstance("ML - DSA");
bobSignature.initVerify(aliceDSAPublicKey);
bobSignature.update(encryptedMessage);
boolean isValid = bobSignature.verify(signedMessage);

if (isValid) {
    // 解密消息
    Cipher decryptCipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");
    decryptCipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, bobSharedSecret);
    byte[] decryptedMessage = decryptCipher.doFinal(encryptedMessage);
    System.out.println("Decrypted message: " + new String(decryptedMessage));
} else {
    System.out.println("Signature verification failed.");
}

HPKE 已成为 TLS 加密客户端 Hello 和基于 HTTPS 的无感知 DNS 标准的一部分，在互联网协议中得到应用。安全提供商已在采用 KEM 方面取得进展，基于流行加密库和 JDK 安全功能有多种可互操作实现。开发者应及时将 Java 应用更新到最新 JDK 版本，利用这些技术提升应用安全性，抵御量子攻击威胁。