Post-Quantum-Cryptography

Die Ära der ersten leistungsstarken Quantencomputer, sie rückt näher und näher – und damit auch die Notwendigkeit der Umstellung der Verschlüsselungsverfahren auf Post-Quanten-Kryptografie (PQC). IT-Verantwortliche sehen sich mit der komplexen, langwierigen Herausforderung konfrontiert, ihre gesamte Krypto-Landschaft zu erfassen, zu analysieren, den Dringlichkeitsgrad der Umstellung jedes einzelnen Assets zu bestimmen und auf Basis ihrer Ergebnisse einen konkreten Umstellungsplan zu erstellen. Eine hochkomplexe Aufgabe; denn bei der Umstellung allein auf die neuen, vom NIST freigegebenen PQC-Verschlüsselungsstandards zu setzen, ist durchaus nicht immer sinnvoll.

Um die erforderliche Rückwärtskompatibilität mit den eigenen Systemen sicherzustellen, um nicht die Leistung der eigenen Systeme negativ zu beeinträchtigen, um möglichst rasch für die erforderliche ‚Defense in Depth‘ zu sorgen, und den bestmöglichen Schutz vor der ‚Harvest Now, Decrypt Later‘-Angriffsstrategie vieler Cyberkrimineller zu ermöglichen, ist es – in vielen Fällen – durchaus sinnvoll, stattdessen hybride Verschlüsselungsverfahren zum Einsatz zu bringen.

Etwa in Multi-Vendor- und komplexen Systemen, die bereits auf klassischer Kryptographie basieren und nicht von Grund auf neu aufgebaut werden sollen oder können. In Systemen mit hohen und sehr hohen Sicherheitsanforderungen – Stichwort KRITIS – und solchen mit Daten, die über lange und sehr lange Zeiträume vertraulich behandelt werden müssen.

Das Prinzip hybrider Verschlüsselungsverfahren ist rasch erklärt: Klassische Algorithmen, die sich bereits über Jahrzehnte in der Praxis bewährt haben, werden mit den neuen, quantenresistenten Algorithmen kombiniert, Inhalte quasi doppelt verschlüsselt. Mittels einer solchen hybriden Verschlüsselung können dann sowohl die Abwärtskompatibilität mit bestehenden Clients als auch der für das kommende Quantenzeitalter erforderliche Grad an Quantenresistenz erfolgreich sichergestellt werden.

Allerdings: Die Umstellung auf Hybridverfahren gestaltet sich in aller Regel komplexer als die Umstellung auf reine PQC-Verfahren. Zu Mehraufwand kommt es etwa in den Bereichen:

• Protokolldesign und Kombinationslogik (eine Hybridisierungsschicht, die präferierte Hybridisierungsart und eine Kompatibilitätslogik müssen eingerichtet und abgesichert werden)
• Overhead und Performance (ein doppelter Overhead wird benötigt; die Datenpakete sind größer; die Optimierungsstrategien sind komplexer und erfordern mehr Aufwand)
• Fehlermanagement und Resilienz (beides gestaltet sich in aller Regel komplexer)
• Implementierung und Testläufe (der Implementierungsaufwand ist höher, der Testaufwand komplexerer; eine ausgeprägtere Krypto-Agilität wird benötigt)
• Kompatibilität und Standardisierung (da es sich um eine Übergangs- und keine Endlösung handelt, sind mehrere Migrationsschritte erforderlich)

All dies im Griff zu behalten, mag auf den ersten Blick schwer – zu aufwendig – erscheinen, kann, unter Zuhilfenahme einer modernen, automatisierten Lösung zum Management der Public Key Infrastructure (PKI) aber durchaus erfolgreich – und arbeitskraftsparend – umgesetzt werden. Mit einer modernen PKI-Managementlösung lässt sich die eigene Verschlüsselungslandschaft umfassend kartographieren, analysieren und systematisch auf neue Verfahren – von PQC bis Hybrid – umstellen. So kann die Vorbereitung der Verschlüsselung für das nahende Quantenzeitalter auch in Systembereichen mit hohen Anforderungen an Betriebskontinuität und Sicherheit erfolgreich umgesetzt werden.

The era of the first powerful quantum computers is drawing ever closer — as is the need to switch to PQC. IT managers must map and analyze their entire cryptographic landscape, determine the urgency of the transition for each asset, and create a concrete transition plan based on their findings. Relying solely on the new PQC encryption standards approved by NIST is not always the best approach, so this is a highly complex task.

To ensure backward compatibility with their systems, avoid negatively impacting performance, provide „defense in depth“ quickly, and enable optimal protection against the „harvest now, decrypt later“ strategy used by many cybercriminals, it often makes sense to use hybrid encryption methods.

This is especially true in multi-vendor and complex systems that are already based on classic cryptography and cannot or should not be rebuilt from scratch. This is also true for systems with high and very high security requirements — the KRITIS sector, for example — and for systems that must treat data confidentially over long periods of time.

The principle of hybrid encryption methods can be explained quickly: Classic algorithms proven effective over decades are combined with new, quantum-resistant algorithms to encrypt content twice. This ensures both backward compatibility with existing clients and the quantum resistance required for the quantum age.

However, transitioning to hybrid methods is generally more complex than transitioning to pure PQC methods. Additional effort is required in the following areas:

• Protocol design and combination logic: A hybridization layer, the preferred hybridization type, and compatibility logic must be set up and secured.
• Overhead and performance: Double overhead is required, data packets are larger, and optimization strategies are more complex and require more effort.
• Error management and resilience (both are generally more complex).
• Implementation and test runs require more effort and greater crypto agility.
• Compatibility and standardization (since this is a transitional solution, several migration steps are required).

At first glance, keeping all of this under control may seem difficult and time-consuming, but with the help of a modern, automated public key infrastructure (PKI) management solution, it can be successfully implemented with less effort. A modern PKI management solution allows you to comprehensively map and analyze your encryption landscape and systematically convert it to new methods, including PQC and hybrid methods. This allows you to prepare your encryption successfully for the approaching quantum age, even in system areas with high requirements for operational continuity and security.