Seminar Post-Quantum Cryptography – Anwendungen und Crypto Agility

Der Austausch kryptografischer Verfahren ist in gewachsenen Anwendungen selten eine reine Bibliotheksaktualisierung. Algorithmen sind in Quellcode, Protokollen, Datenformaten, Zertifikaten, Hardwaremodulen, Konfigurationen und externen Diensten verankert. Das Seminar vermittelt ein systematisches Vorgehen, mit dem Anwendungen zunächst kryptografisch transparent und anschließend schrittweise post-quanten-fähig werden.

Im Mittelpunkt stehen robuste Architekturmuster, nachvollziehbare Entscheidungsregeln und praktische Tests. ML-KEM, ML-DSA und SLH-DSA werden im jeweiligen Einsatzzweck eingeordnet; noch nicht abschließend standardisierte Verfahren werden klar von produktionsreifen Standards getrennt.

Zielsetzung

Die Teilnehmenden planen eine crypto-agile Anwendungsarchitektur, bewerten Abhängigkeiten und entwerfen eine kontrollierbare PQC-Einführung mit Kompatibilitäts-, Leistungs- und Rückfallkonzept.

Kryptografie in Anwendungen erfassen

• Bibliotheken, Frameworks, Laufzeitumgebungen, APIs und eingebettete Implementierungen lokalisieren
• Verwendung von Schlüsselaustausch, Signaturen, Zertifikaten, Schlüsselableitung, Zufallszahlen und Schlüsselspeichern unterscheiden
• Quellcode-, Binär-, Abhängigkeits-, Konfigurations- und Laufzeiterkenntnisse zusammenführen
• CBOM-Daten mit Anwendung, Eigentümer, Datenklasse, Protokoll, Schlüsselmaterial und Lebenszyklus verknüpfen
• Externe APIs, Identitätsdienste, SaaS-Abhängigkeiten und Lieferantenangaben einbeziehen

Crypto-agile Architektur

• Kryptografische Funktionen hinter stabilen Schnittstellen und Richtlinien kapseln
• Algorithmusauswahl, Parameter, Schlüsseltypen und Protokollprofile konfigurierbar machen
• Versionsfähige Datenformate und eindeutige Algorithmuskennungen gestalten
• Dual-Stack-, Hybrid- und Übergangsbetrieb mit klaren Vertrauensannahmen planen
• Feature Flags, gestaffelte Aktivierung, Kompatibilitätsmatrix und sichere Rücknahme entwerfen
• Vermeidung fest codierter Algorithmen, Schlüsselgrößen und Zertifikatsannahmen

PQC-Integration

• ML-KEM als Schlüsselvereinbarungsbaustein und nicht als allgemeines Datenverschlüsselungsverfahren einsetzen
• KEM, Schlüsselableitung und authentisierte symmetrische Verschlüsselung sicher zusammensetzen
• ML-DSA und SLH-DSA für Signaturen anhand von Größe, Geschwindigkeit und Betriebsanforderungen vergleichen
• Hybride Verfahren gegenüber reinen PQC-Verfahren risikobasiert auswählen
• Auswirkungen größerer Schlüssel, Ciphertexte, Signaturen und Zertifikate auf Schnittstellen und Speichermodelle prüfen
• KMS-, HSM-, Secret-Management- und PKI-Abhängigkeiten berücksichtigen
• Fehlerbehandlung, Seitenkanalrisiken, Zufallszahlenerzeugung und sichere Parameterverwaltung behandeln

Qualitätssicherung und DevSecOps

• Testvektoren, Known-Answer-Tests, Negativtests und Interoperabilitätstests strukturieren
• Handshake-, Signatur-, Zertifikats- und Datenformatkompatibilität automatisiert prüfen
• Performance, Speicherbedarf, Paketgrößen, Latenz und Fehlerraten messen
• CI/CD-Gates für unerlaubte Algorithmen, veraltete Bibliotheken und fehlende Inventardaten festlegen
• Telemetrie für ausgehandelte Verfahren, Fallbacks und Migrationsfortschritt datenschutzgerecht entwerfen
• Rollback ohne Rückkehr zu unkontrolliert unsicheren Einstellungen vorbereiten

Praxisübungen

• Kryptografische Abhängigkeiten einer Beispielanwendung inventarisieren und priorisieren
• Eine Algorithmusabstraktion mit austauschbaren klassischen, hybriden und PQC-Profilen entwerfen
• Testfälle für Größenänderungen, Interoperabilität, Fehlkonfiguration und Rückfall entwickeln
• Einen gestaffelten Einführungsplan mit Betriebsmetriken und Abnahmekriterien erstellen