Signal 协议与后量子加密

摘要

Signal协议推出SPQR升级，将后量子密钥封装机制与传统椭圆曲线密钥交换混合使用，形成"三重棘轮"架构。该设计通过纠删码和状态机优化解决了后量子密钥体积过大的问题，并采用渐进兼容策略确保新旧设备平滑过渡。整套方案经过ProVerif等工具的形式化验证，为用户提供面向量子计算时代的端到端加密保护。

内容框架与概述

文章首先回顾了Signal协议自2013年发布以来的安全基础，特别是基于哈希函数和ECDH的Double Ratchet机制如何实现前向安全与泄露恢复。核心问题在于：虽然哈希函数具备量子安全性，但ECDH在量子计算机面前将不堪一击，攻击者可能通过"先收集后解密"策略威胁未来通信安全。

针对这一威胁，文章详细阐述了SPQR的设计思路。它并非替代原有机制，而是引入基于ML-KEM的后量子密钥交换，与传统棘轮并行运行后通过KDF融合密钥。面对后量子密钥体积较大（超1KB）的工程挑战，团队采用状态机追踪、纠删码分块传输等技术，在带宽效率与抗干扰能力之间取得平衡。

文章还重点讨论了协议迁移策略：在新旧设备混用期允许优雅降级，但一旦双方均支持SPQR则强制启用，并通过MAC校验防止恶意降级攻击。最后，团队强调了形式化验证在开发中的核心地位，通过与学术机构合作、CI持续验证等方式确保协议安全性可被机器证明。

核心概念及解读

Triple Ratchet（三重棘轮）：将传统Double Ratchet与SPQR并行运行后融合密钥的混合架构。攻击者必须同时破解经典密码学和后量子密码学两条路径，才能获取会话密钥，实现"冗余加固"的安全设计。

SPQR（稀疏后量子棘轮）：基于ML-KEM的周期性后量子密钥交换机制。“稀疏"指其并非每条消息都执行，而是通过状态机控制在适当时机插入，平衡安全性与带宽开销。

前向安全与泄露恢复：前向安全确保即使当前密钥泄露，历史消息仍无法被解密；泄露恢复则保证密钥被盗后，通过后续交互可重新恢复到安全状态。二者互为镜像，共同构成Signal的核心安全保障。

纠删码传输：将大体积的后量子密钥数据分散为小块，随多条消息发送，接收方只需收到足够数量的任意块即可重构原始数据，有效应对网络丢包和恶意干扰。

形式化验证：使用ProVerif、hax+F*等工具将协议安全属性与代码实现深度绑定，每次代码变更自动触发机器可检验的安全证明，确保开发迭代不引入安全缺陷。

原文信息

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