下一代網絡安全領域的抗量子證書全解析

量子電腦的面世將使 ECC 與 RSA 加密算法失效，企業需要將自身計算系統與公鑰基礎設施（PKI）遷移至新型抗量子密碼算法。

公鑰基礎設施（PKI）方案向抗量子密碼算法的遷移，會為眾多企業帶來多項重大挑戰。現有所有應用和系統都需要完成更新，以支援目前為應對量子電腦威脅而開發的新型抗量子算法。適配新算法的更新過程需要投入大量工程工作，不少系統需要進行大規模調整。

對很多企業而言，採用「推倒重來」的方式升級加密系統完全不具可行性。他們需要能夠支援低風險逐步遷移的方案，避免一次性更新所有系統。此外，遷移過程中需要對所有系統進行測試，確保其運作正常。

抗量子密碼體系需要支援抗量子算法的數碼證書。目前業界已推出多種新型數碼證書，用於解決向抗量子密碼算法遷移過程中的難題，不同證書類型適用於不同的使用場景。

四類證書

所有關於抗量子密碼體系的討論都會涉及四類證書，每類證書都有其明確的用途、適用場景與權衡取捨。需要說明的是，以下所有證書類型均屬於X.509 數碼證書，不同類型證書的差異體現在證書用途以及生成證書時所使用的加密算法上。

傳統 PKI 證書

傳統 PKI 證書是現時公鑰基礎設施（PKI）系統中使用的證書。「傳統」指這類證書採用傳統 ECC 或 RSA 加密算法。未來一段時間內，大多數公鑰基礎設施（PKI）系統仍將繼續使用傳統 PKI 證書。這類證書可有效抵禦現有計算攻擊，但未來會因量子電腦的出現以及針對 ECC、RSA 加密的量子攻擊而失效。

抗量子證書

抗量子證書是採用抗量子加密算法的 X.509 證書。目前 NIST 仍在推進抗量子加密算法的標準化工作，但已選定了一批候選算法，且這些算法的實作現已可用。

遷移至抗量子算法意味著需要使用抗量子證書，也就是包含與抗量子加密算法配套使用的抗量子密鑰的 X.509 證書。這類方案的落地需要更新現有系統，以適配新型加密算法。

混合證書

混合證書是交叉簽署證書，同時包含傳統（RSA 或 ECC）密鑰與簽名，以及抗量子密鑰與簽名。對於包含多個組件、無法一次性完成升級或替換的系統，混合證書提供了一條可行的遷移步徑。

使用混合證書類似於一套住宅設有兩扇門，每扇門都有獨立的鑰匙。如果我為前門更換了新鎖，只有持有新鑰匙的人才能打開這扇門；持有舊鑰匙的人仍可以進入住宅，但只能通過未更換的後門。後續我可以逐步為用戶更換鑰匙，讓他們可以通過新門鎖進入。經過一段過渡期後，我可以更換後門鎖，使其使用與前門相同的新鑰匙。

企業需要先更新 IT 基礎設施的核心組件，使其支援抗量子算法與混合證書。其他系統和設備存取新完成更新的系統時，仍可繼續使用傳統加密算法。抗量子密鑰與簽名會存儲為備用簽名算法、備用密鑰以及備用簽名欄位。未使用混合證書中抗量子欄位的應用會忽略這些額外欄位。安全團隊可以逐步更新應用和系統，使其適配新型抗量子算法。遷移全部完成後，就可以停用混合證書，替換為純抗量子證書。

複合證書

複合證書與混合證書類似，都包含多個密鑰和簽名，但二者的設計初衷是解決不同問題。複合密鑰的目標是應對以下隱患：目前可用的單一加密算法日後可能被證實不安全。目前業界正在開發諸多新型加密算法，以滿足抗量子密碼應用場景的需求。儘管NIST正在協調流程對多種抗量子密碼算法進行評審與遴選，但這些算法尚未經過全面驗證與實戰檢驗。未來某一時刻，安全研究人員或黑客有可能在其中一種或多種算法中發現漏洞。

由於單一後量子算法的可靠性仍存疑問，多密鑰密碼方案可以通過要求密碼操作使用多個密鑰，提供更高等級的安全性。要攻破一套實作得當的複合密鑰加密機制，需要逐一破解其包含的每一種組件算法，這並非易事。

複合證書就好比一扇裝了多把鎖的門，必須持有全部鑰匙才能打開。即便其中一種加密算法被證實存在可被利用的漏洞，整個系統仍然是安全的。

儘管NIST目前正在推進相關流程，力求在將候選算法認證為抗量子安全算法之前驗證其有效性，但要實際證明密碼算法的安全性是一項困難且結果不可靠的工作。如今看似安全的算法，未來可能被發現易受新型攻擊手段的威脅。複合證書可針對這類長期風險提供強有力的防護，因此非常適用於安全要求極高的環境。不過，由於所有數據都需要使用多個密鑰加密，建立複合證書需要額外的計算資源。

小結

要把公鑰基礎設施（PKI）系統及相關應用遷移至抗量子密碼算法，需為每個使用PKI的系統進行更新。加密庫以及所有使用證書的應用程式都必須完成升級，才能支援新算法。對不少企業系統來說，由於需要更新的系統數量眾多，這會是一項工作量龐大的工程。

企業可選擇一次性替換所有系統，直接切換至使用抗量子證書的模式。可惜對許多企業而言，這種方案完全不具可行性。混合證書為這類場景提供了可行的替代方案，支援逐步完成向抗量子密碼算法的遷移。

對於安全要求極高的場景，複合證書提供了另一種選擇，可防範部分新型抗量子密碼算法日後被發現存在漏洞的風險。