Rust后量子密码学库pqcrypto-hqc的使用指南

概述

pqcrypto-hqc是一个Rust实现的HQC(Hamming Quasi-Cyclic)抗量子加密算法库，属于后量子密码学(PQC)范畴。HQC是基于编码的密码系统，被选为NIST后量子密码标准化项目的第四轮候选算法之一。

安装

在Cargo.toml中添加依赖：

[dependencies]
pqcrypto-hqc = "0.4"
pqcrypto-traits = "0.3"

核心功能

1. 密钥对生成
2. 加密/解密操作
3. KEM(密钥封装机制)

基本使用方法

密钥生成

use pqcrypto_hqc::hqc128::*;
use pqcrypto_traits::kem::{PublicKey, SecretKey};

fn main() {
    // 生成密钥对
    let (public_key, secret_key) = keypair();
    
    println!("Public key: {:?}", public_key.as_bytes());
    println!("Secret key: {:?}", secret_key.as_bytes());
}

加密与解密

use pqcrypto_hqc::hqc128::*;
use pqcrypto_traits::kem::{PublicKey, SecretKey, Ciphertext, SharedSecret};

fn encrypt_decrypt() {
    // 生成密钥对
    let (pk, sk) = keypair();
    
    // 加密(封装共享密钥)
    let (ciphertext, shared_secret_enc) = encapsulate(&pk);
    
    // 解密(解封共享密钥)
    let shared_secret_dec = decapsulate(&ciphertext, &sk);
    
    assert_eq!(shared_secret_enc.as_bytes(), shared_secret_dec.as_bytes());
    println!("Encryption/decryption successful!");
}

直接加密数据

use pqcrypto_hqc::hqc128::*;
use pqcrypto_traits::kem::{PublicKey, SecretKey};

fn encrypt_data() {
    let (pk, sk) = keypair();
    let message = b"Hello, post-quantum world!";
    
    // 加密
    let ciphertext = encrypt(&pk, message).unwrap();
    
    // 解密
    let decrypted = decrypt(&sk, &ciphertext).unwrap();
    
    assert_eq!(message, &decrypted[..]);
    println!("Decrypted message: {:?}", String::from_utf8_lossy(&decrypted));
}

安全注意事项

1. 密钥管理：确保私钥安全存储
2. 随机数生成：库内部使用安全的随机数生成器
3. 参数选择：当前实现使用hqc128参数集，提供128位量子安全性

性能考虑

HQC算法相比传统加密算法会有更高的计算开销，建议：

• 对性能敏感场景进行基准测试
• 考虑混合加密方案(如HQC加密对称密钥)

示例：完整KEM流程

use pqcrypto_hqc::hqc128::*;
use pqcrypto_traits::kem::{PublicKey, SecretKey, Ciphertext, SharedSecret};

fn kem_example() {
    // 1. 接收方生成密钥对
    let (pk, sk) = keypair();
    
    // 2. 发送方封装共享密钥
    let (ct, ss1) = encapsulate(&pk);
    
    // 3. 接收方解封共享密钥
    let ss2 = decapsulate(&ct, &sk);
    
    // 4. 双方现在有相同的共享密钥
    assert_eq!(ss1.as_bytes(), ss2.as_bytes());
    
    println!("KEM completed successfully. Shared secret: {:?}", ss1.as_bytes());
}

可用参数集

pqcrypto-hqc提供不同安全级别的参数：

• hqc128 (128位量子安全性)
• hqc192 (192位量子安全性)
• hqc256 (256位量子安全性)

使用方法相同，只需替换模块路径即可，例如：

use pqcrypto_hqc::hqc256::*;

完整示例demo

下面是一个完整的HQC加密解密示例，展示了密钥生成、加密、解密的全过程：

use pqcrypto_hqc::hqc128::*;
use pqcrypto_traits::kem::{PublicKey, SecretKey};

fn main() {
    // 1. 密钥生成
    println!("Generating key pair...");
    let (public_key, secret_key) = keypair();
    println!("Public key generated ({} bytes)", public_key.as_bytes().len());
    println!("Secret key generated ({} bytes)", secret_key.as_bytes().len());
    
    // 2. 准备要加密的消息
    let message = b"This is a secret message that needs post-quantum protection!";
    println!("\nOriginal message: {}", String::from_utf8_lossy(message));
    
    // 3. 加密消息
    println!("\nEncrypting message...");
    let ciphertext = encrypt(&public_key, message).expect("Encryption failed");
    println!("Message encrypted to ciphertext ({} bytes)", ciphertext.len());
    
    // 4. 解密消息
    println!("\nDecrypting message...");
    let decrypted = decrypt(&secret_key, &ciphertext).expect("Decryption failed");
    println!("Decrypted message: {}", String::from_utf8_lossy(&decrypted));
    
    // 5. 验证解密结果
    assert_eq!(message, &decrypted[..]);
    println!("\nDecryption successful! Original and decrypted messages match.");
}

结论

pqcrypto-hqc为Rust开发者提供了方便的HQC抗量子加密算法实现，适用于需要防范量子计算威胁的安全场景。通过简单的API接口，开发者可以轻松集成后量子加密功能到现有系统中。