Rust密码学库libcrux-ml-kem使用指南：后量子安全的ML-KEM密钥封装机制

概述

libcrux-ml-kem是一个Rust实现的ML-KEM(Module-Lattice-based Key Encapsulation Mechanism)密钥封装机制库，提供了后量子安全的加密方案。该库实现了NIST后量子密码学标准化项目中选定的Kyber算法变种。

特性

• 完全用Rust实现的后量子安全密钥封装
• 支持ML-KEM-512、ML-KEM-768和ML-KEM-1024三种安全级别
• 零开销抽象和恒定时间操作
• 经过严格的形式验证

安装

在Cargo.toml中添加依赖：

[dependencies]
libcrux = { version = "0.1", features = ["ml-kem"] }

基本用法

密钥生成

use libcrux::ml_kem;

fn generate_keypair() -> (Vec<u8>, Vec<u8>) {
    // 选择安全级别(512, 768或1024)
    let kem = ml_kem::MlKem::new(ml_kem::Algorithm::MlKem512).unwrap();
    
    // 生成密钥对
    let (public_key, secret_key) = kem.key_gen().unwrap();
    
    (public_key, secret_key)
}

密钥封装

use libcrux::ml_kem;

fn encapsulate(public_key: &[u8]) -> (Vec<u8>, Vec<u8>) {
    let kem = ml_kem::MlKem::new(ml_kem::Algorithm::MlKem512).unwrap();
    
    // 封装密钥，生成共享密钥和密文
    let (shared_secret, ciphertext) = kem.encapsulate(public_key).unwrap();
    
    (shared_secret, ciphertext)
}

密钥解封装

use libcrux::ml_kem;

fn decapsulate(secret_key: &[u8], ciphertext: &[u8]) -> Vec<u8> {
    let kem = ml_kem::MlKem::new(ml_kem::Algorithm::MlKem512).unwrap();
    
    // 解封装获取共享密钥
    let shared_secret = kem.decapsulate(secret_key, ciphertext).unwrap();
    
    shared_secret
}

完整示例

use libcrux::ml_kem;

fn main() {
    // 1. 初始化ML-KEM实例(选择512位安全级别)
    let kem = ml_kem::MlKem::new(ml_kem::Algorithm::MlKem512).unwrap();
    
    // 2. 生成密钥对
    let (public_key, secret_key) = kem.key_gen().unwrap();
    
    // 3. 发送方:使用公钥封装密钥
    let (sender_shared_secret, ciphertext) = kem.encapsulate(&public_key).unwrap();
    
    // 4. 接收方:使用私钥解封装
    let receiver_shared_secret = kem.decapsulate(&secret_key, &ciphertext).unwrap();
    
    // 5. 验证双方共享密钥是否相同
    assert_eq!(sender_shared_secret, receiver_shared_secret);
    
    println!("密钥交换成功! 共享密钥: {:?}", &sender_shared_secret[..16]);
}

安全注意事项

1. 始终使用最新版本的库
2. 密钥和共享密钥应安全存储
3. 对于生产环境，建议使用ML-KEM-768或ML-KEM-1024安全级别
4. 定期轮换密钥对

性能考虑

不同安全级别的性能特征：

• ML-KEM-512: 最高性能，最低安全性
• ML-KEM-768: 平衡性能与安全性(NIST推荐)
• ML-KEM-1024: 最高安全性，较低性能

错误处理

所有操作都返回Result类型，应妥善处理错误：

match kem.key_gen() {
    Ok((pk, sk)) => { /* 成功处理 */ },
    Err(e) => { /* 错误处理 */ }
}

完整示例demo

以下是一个更完整的示例，展示如何在真实场景中使用libcrux-ml-kem进行安全的密钥交换：

use libcrux::ml_kem;
use std::error::Error;

fn main() -> Result<(), Box<dyn Error>> {
    // 选择安全级别(NIST推荐的768位)
    let kem = ml_kem::MlKem::new(ml_kem::Algorithm::MlKem768)?;
    
    // 生成密钥对
    let (public_key, secret_key) = kem.key_gen()?;
    println!("公钥长度: {} 字节", public_key.len());
    println!("私钥长度: {} 字节", secret_key.len());
    
    // 模拟发送方:使用公钥封装密钥
    let (sender_shared_secret, ciphertext) = kem.encapsulate(&public_key)?;
    println!("密文长度: {} 字节", ciphertext.len());
    
    // 模拟接收方:使用私钥解封装
    let receiver_shared_secret = kem.decapsulate(&secret_key, &ciphertext)?;
    
    // 验证双方共享密钥是否相同
    assert_eq!(sender_shared_secret, receiver_shared_secret);
    
    // 打印共享密钥的前16字节(仅用于演示)
    println!("成功建立共享密钥(前16字节): {:02X?}", &sender_shared_secret[..16]);
    
    // 实际应用中，这个共享密钥可以用于对称加密
    // 例如: let cipher = Aes256Gcm::new_from_slice(&shared_secret)?;
    
    Ok(())
}

这个完整示例展示了：

1. 选择NIST推荐的ML-KEM-768安全级别
2. 生成密钥对并输出密钥长度信息
3. 模拟发送方和接收方的完整密钥交换流程
4. 验证共享密钥的一致性
5. 展示了如何在实际应用中使用生成的共享密钥

libcrux-ml-kem为Rust开发者提供了符合后量子安全标准的密钥封装实现，是传统非对称加密算法向抗量子计算迁移的重要工具。