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On the Transition to Post-Quantum Cryptography in the Industrial Internet of Things

Paul, Sebastian (2022):
On the Transition to Post-Quantum Cryptography in the Industrial Internet of Things. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00021368,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: On the Transition to Post-Quantum Cryptography in the Industrial Internet of Things
Language: English
Abstract:

Large-scale quantum computers will be able to efficiently solve the mathematical problems of currently deployed public-key cryptography, rendering RSA and elliptic-curve cryptosystems insecure in the near future. This looming threat necessitates the design, development, and standardization of cryptography that resists attacks from classical as well as quantum computers, so-called post-quantum cryptography (PQC). In fact, several standardization bodies are in the midst of standardizing PQC as the next generation of cryptography, such as the National Institute of Standards and Technology (NIST). But compared to current public-key cryptosystems, PQC primitives generally incur a higher cost in some metric: computational cost, storage requirements, or network bandwidth. As a result, their performance and design characteristics prevent them from being simple drop-in replacements for current public-key schemes. The impact of PQC, therefore, needs to be carefully evaluated when integrated into protocols and applications.

With new cryptography standards on the horizon, one of the first domains expected to adopt these new standards are industrial control systems (ICS). Since their components have long life spans (≥ 15 years) and are increasingly interconnected to form an Industrial Internet of Things (IIoT), they require strong and long-lasting security guarantees. In turn, this raises the following question: How can a fast, reliable, and secure transition to upcoming PQC standards be ensured, especially in today’s highly interconnected networks, such as IIoT?

In this thesis, we identify, study, and investigate open challenges in order to integrate post-quantum cryptography into IIoT devices, protocols, and applications. First, we propose cryptographic agility as one of the most important prerequisites for the transition to PQC. Apart from the definition of three subtypes of cryptographic agility, we provide guidelines how cryptographic agility can be achieved and maintained in software-based IIoT applications. Second, our evaluation of schemes submitted to NIST’s PQC standardization process identifies different hash-based and lattice-based schemes as suitable candidates for IIoT applications. Furthermore, we demonstrate how Trusted Platform Modules (TPMs) can facilitate the implementation of the lattice-based key establishment scheme CRYSTALS-Kyber and the hash-based signature scheme SPHINCS+, which potentially renders the execution of post-quantum (PQ) schemes more secure.

While related works only consider the transition to post-quantum confidentiality, we are the first to propose and investigate a migration strategy towards post-quantum authentication. Our strategy is based on the concept of mixed certificate chains that use different signature schemes within the same certificate chain. We show that certificate chains only containing hash-based signature schemes at the root certificate level offer acceptable connection establishment times for the network protocol Transport Layer Security (TLS) despite an increase in communication size.

Finally, we present and evaluate three novel integrations of PQC into the industrial protocol Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA): Hybrid-KEX OPC UA, Hybrid OPC UA, and PQ OPC UA. While the first two make use of hybrid constructions that combine conventional with post-quantum cryptography, PQ OPC UA is only based on PQC. In fact, hybrid constructions are considered a feasible transitional strategy that protect today’s communication against tomorrow’s attacks aided by quantum computers, e.g., “harvest now, decrypt later” attacks. Yet, they are no longer needed once PQC schemes are standardized and fully trusted. Furthermore, we provide a symbolic proof of confidentiality and authentication properties for our proposed integrations (Hybrid and PQ OPC UA) based on the state-of-the-art protocol verifier ProVerif.

Ultimately, the different migration and integration strategies presented in this thesis prepare IIoT systems for an efficient transition to PQC.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Leistungsstarke universelle Quantencomputer werden die mathematischen Probleme derzeit verwendeter kryptografischer Verfahren effizient lösen können. Unmittelbar davon betroffen sind heute allgegenwärtige asymmetrische kryptografische Verfahren für Verschlüsselung, Schlüsselaustausch und Signaturen: RSA, (EC)DH und ECDSA. Diese sich abzeichnende Bedrohung erfordert die Konzeption, Entwicklung und Standardisierung neuer kryptografischer Verfahren: der sogenannten Post-Quanten-Kryptografie (PQK). Aktuell arbeiten bereits mehrere Standardisierungsgremien an zukünftigen PQK Standards, wie z.B. das Nationale Institut für Standards und Technologie (National Institute of Standards and Technology, NIST). Im Vergleich zu heutigen Kryptosystemen, sind bei PQK Verfahren Performance-Eigenschaften wie Schlüsselgröße, Speicherverbrauch und Laufzeit oftmals deutlich erhöht. Ein einfaches Austauschen bisheriger Verfahren ist somit nicht möglich. Die Auswirkungen von PQK müssen deshalb bei einer Integration in Protokolle und Anwendungen genau evaluiert werden.

Der Bereich der industriellen Kontrollsysteme wird vermutlich zu einem der ersten Industriebereiche gehören, die auf neue PQK Standards setzen werden. Denn die Anforderungen an die IT-Sicherheit sind dort hoch: Zum einen schreitet die Vernetzung industrieller Komponenten stetig voran, wodurch sie Bestandteil des Industriellen Internets der Dinge (Industrial Internet of Things, IIoT) werden. Zum anderen sind die Lebenszeiten industrieller Komponenten sehr lang (≥ 15 Jahre). Im Hinblick auf die kommenden PQK Standards stellt sich somit folgende Frage: Wie kann eine möglichst schnelle, reibungslose und sichere Migration hin zu neuen PQK Verfahren gewährleistet werden – insbesondere in so stark vernetzten Bereichen wie dem IIoT?

In dieser Arbeit identifizieren und untersuchen wir zunächst offene Fragestellungen um Post-Quanten-Kryptografie in Geräte, Protokolle und Anwendungen innerhalb von IIoT-Systemen zu integrieren. Dabei gilt kryptografische Agilität als Grundvoraussetzung für eine reibungslose Migration. Ausgehend von der Definition kryptografischer Agilität im IIoT Kontext leiten wir drei wesentliche Subtypen ab. Zudem geben unsere vorgestellten Grundsätze darüber Auskunft, wie kryptografische Agilität in Software-Systemen erreicht und aufrechterhalten werden kann. Des Weiteren evaluieren wir in dieser Arbeit Verfahren des NIST PQK Standardisierungsprozesses und identifizieren verschiedene hash- und gitterbasierte PQK Verfahren als aussichtsreiche Kandidaten für IIoT Anwendungen. Wir zeigen außerdem wie Trusted Platform Modules (TPMs) die Umsetzung des gitterbasierten Schlüsselaustauschverfahrens CRYSTALS-Kyber und des hashbasierten Signaturverfahrens SPHINCS+ sicherer machen können.

Während bisherige Arbeiten in erster Linie die Migration hin zu Quantencomputer-sicherer Vertraulichkeit betrachten, stellen wir in dieser Arbeit auch eine erste Migrationsstrategie hin zu Quantencomputer-sicherer Authentifizierung vor. Die vorgestellte Migrationsstrategie baut auf dem Konzept „gemischter Zertifikatsketten“ auf, welche verschiedene Signaturverfahren entlang einer Zertifikatskette verwendet. Insbesondere wird anhand des Netzwerkprotokolls Transport Layer Security (TLS) gezeigt, dass mit Zertifikatsketten, die hashbasierte Signaturverfahren nur beim Wurzelzertifikat verwenden, trotz erhöhter Nachrichtengrößen vielversprechende Verbindungsaufbauzeiten erzielt werden können.

Abschließend werden drei Integrationsmöglichkeiten von PQK in das industrielle Kommunikationsprotokoll Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) aufgezeigt: Hybrid-KEX OPC UA, Hybrid OPC UA und PQ OPC UA. Die ersten beiden Ansätze bauen auf hybriden Konstruktionen für die Integration auf, indem konventionelle Kryptografie mit Post-Quanten-Kryptografie kombiniert wird. PQ OPC UA hingegen verwendet nur PQK Verfahren. Hybride Konstruktionen werden als vielversprechende Übergangslösung gehandelt und sind in der Lage, heute übertragene Informationen gegen zukünftige Quantencomputer-Angriffsszenarien, wie z.B. „heute abspeichern, später entschlüsseln“, zu beschützen. Allerdings sind derartige Konstruktionen nicht länger notwendig, sobald PQK Verfahren standardisiert sind und ausreichend Vertrauen gewonnen haben. Darüber hinaus beweisen wir die beiden Sicherheitseigenschaften Vertraulichkeit und Authentizität der vorgestellten Integrationsmöglichkeiten anhand des symbolischen Modells unter Verwendung des Protokoll-Verifikationstools ProVerif.

Die in dieser Arbeit vorgestellten Migrations- und Integrationsstrategien bereiten somit IIoT-Anwendungen und -Protokolle möglichst gut auf den bevorstehenden Wandel hin zu Post-Quanten-Kryptografie vor.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xxix, 188 Seiten
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Divisions: 20 Department of Computer Science > Security in Information Technology
Date Deposited: 17 Jun 2022 10:25
Last Modified: 19 Aug 2022 06:15
DOI: 10.26083/tuprints-00021368
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-213680
Referees: Waidner, Prof. Dr. Michael ; Seifert, Prof. Dr. Jean-Pierre
Date of oral examination: 2 May 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/21368
PPN: 496568698
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