Dilithium Python/Rust

Данная библиотека предоставляет Python-биндинги на библиотеку pqcrypto-dilithium, причём очень удобные биндинги.

---

Пару слов про Dilithium

Dilithium — это один из алгоритмов цифровой подписи, разработанный для устойчивости к атакам с использованием квантовых компьютеров. Он является частью направления постквантовой криптографии, которое занимается созданием криптографических методов, устойчивых к взлому с помощью квантовых алгоритмов (например, алгоритма Шора).

Основные характеристики Dilithium

1. Основа на решётках:

   • Dilithium построен на математических задачах, связанных с решётками (lattice-based cryptography). Эти задачи считаются устойчивыми к атакам как классических, так и квантовых компьютеров.
   • Основная проблема, на которой строится безопасность Dilithium, — это Learning With Errors (LWE) и её варианты.

2. Эффективность:

   • Алгоритм оптимизирован для работы на обычных компьютерах. Он имеет относительно небольшие размеры ключей и подписей по сравнению с другими постквантовыми алгоритмами.
   • Dilithium обеспечивает высокую скорость генерации подписей и их проверки.

3. Стандартизация:

   • В 2022 году Dilithium был выбран NIST (Национальный институт стандартов и технологий США) в качестве одного из стандартов для постквантовой цифровой подписи в рамках проекта по стандартизации постквантовой криптографии.
   • Он стал частью CRYSTALS (Cryptographic Suite for Algebraic Lattices) — набора криптографических алгоритмов, включающего также Kyber (для шифрования).

4. Безопасность:

   • Dilithium предлагает несколько уровней безопасности (например, 128-битный, 192-битный и 256-битный уровни стойкости к атакам).
   • Его безопасность основывается на сложности решения задач в решётках, которые считаются устойчивыми к квантовым атакам.

---

Как работает Dilithium?

1. Генерация ключей:

   • Алгоритм создаёт пару ключей: открытый ключ (public key) и закрытый ключ (private key). Открытый ключ используется для проверки подписи, а закрытый — для её создания.

2. Создание подписи:

   • Для подписи сообщения используется закрытый ключ. Процесс включает в себя вычисления в решётках и добавление «шума» (на основе LWE), чтобы сделать подпись устойчивой к взлому.

3. Проверка подписи:

   • Проверка подписи осуществляется с помощью открытого ключа. Алгоритм проверяет, соответствует ли подпись сообщению и открытому ключу.

---

Преимущества Dilithium

1. Устойчивость к квантовым атакам:

   • В отличие от классических алгоритмов (например, RSA или ECDSA), Dilithium устойчив к атакам с использованием квантовых компьютеров.

2. Компактность:

   • Размеры ключей и подписей в Dilithium значительно меньше, чем в некоторых других постквантовых алгоритмах, что делает его более практичным для использования.

3. Высокая производительность:

   • Алгоритм оптимизирован для быстрой работы на современных процессорах.

---

Где применяется Dilithium?

Dilithium и другие постквантовые алгоритмы активно внедряются в:

• Инфраструктуру цифровых подписей (например, для защиты документов, сертификатов).
• Криптовалюты и блокчейн (для защиты транзакций от квантовых атак).
• Защищённые коммуникации (например, TLS, VPN).

---

Почему это важно?

С появлением квантовых компьютеров классические криптографические алгоритмы (RSA, ECDSA) могут стать уязвимыми. Алгоритмы вроде Dilithium обеспечивают долгосрочную безопасность данных, защищая их от будущих угроз.

---

Как работать с библиотекой

Библиотека имеет 3 класса: Dilithium2, Dilithium3, Dilithium5. Во всех классах есть 3 функции:

• generate_keypair() -> Tuple[str, str]
• sign_message(message: str, private_key: str) -> str
• verify_message(signature: str, message: str, public_key: str) -> bool

Небольшой пример на Dilithium5

import dilithium_python as dilithium

message = "Hello, world!"

# Генерация ключей
public_key, private_key = dilithium.Dilithium5.generate_keypair()

# Подпись сообщения
signature = dilithium.Dilithium5.sign_message(message, private_key)
print("Signature:", signature)

# Проверка подписи
print("Signature valid:", dilithium.Dilithium5.verify_message(signature, message, public_key))

---

Особенности реализации

Специально чтобы не было ошибок, связанных с тем, что Vec<u8> в Rust при переходе в Python должен быть bytes, но становится list, было принято решение сразу же кодировать все значения в Base64. Это позволяет избежать проблем с типами данных и упрощает взаимодействие между Rust и Python.

---

Установка

Есть несколько вариантов установки: через pip или вручную через git.

1. Установка через pip

Просто выполните команду:

pip install dilithium_python

Примечание: Если у вас Linux x64-x86 или amd64, будет установлено предварительно собранное колесо (wheel). В противном случае будет использован исходный код (sdist), для чего потребуется установленный Rust и другие зависимости.

2. Установка вручную через git

Для тех, кто хочет собрать библиотеку самостоятельно:

1. Установите Rust edition 2021.
2. Клонируйте репозиторий:

   git clone https://github.com/kostya2023/dilithium_python
   

   или через SSH:

   git clone git@github.com:kostya2023/dilithium_python.git
   

3. Создайте виртуальную среду (например, с помощью python -m venv venv).
4. Установите maturin:

   pip install maturin
   

5. Соберите библиотеку:

   maturin build --release
   

6. Установите собранное колесо:

   pip install target/wheels/*.whl
   

7. Готово!

---

Лицензия

Библиотека распространяется под лицензией MIT.

---

Автор

• kostya2023