Utforskar CNSA 2.0: Kärnalgoritmerna för nästa generations säkerhet

Beskrivning

I september 2022 släppte National Security Agency (NSA) Commercial National Security Algorithm (CNSA) Suite 2.0, en betydande uppdatering av dess kryptografiska standarder för att skydda nationella säkerhetssystem (NSS). Denna svit, uppdaterad från och med maj 2025, introducerar kvantresistenta algoritmer för att motverka det framväxande hotet från kvantberäkning, vilket potentiellt skulle kunna bryta mot traditionella kryptografiska metoder som RSA och ... elliptisk kurvkryptografi (ECC).

CNSA 2.0 är utformad för att säkerställa långsiktig säkerhet för känsliga uppgifter och omfattar både sekretessbelagd och osekretessbelagd information som används i NSS. Den här artikeln utforskar komponenterna i CNSA 2.0, deras tillämpningar och tidslinjen för övergången till införandet.

Bakgrund och syfte

CNSA 2.0 uppdaterar den tidigare CNSA 1.0, som etablerades 2016 för att ersätta NSA Suite B. Den primära motivationen för CNSA 2.0 är utvecklingen av kvantberäkning, vilket kan göra algoritmer som RSA, Diffie-Hellman (DH), ECDH och ECDSA sårbara genom Shors algoritm.

För att hantera detta innehåller CNSA 2.0 postkvantkryptografiska algoritmer standardiserade av National Institute of Standards and Technology (NIST) och validerade av NSA. Dessa algoritmer är avsedda att användas i alla NSS, vilket säkerställer ett robust skydd mot både klassiska och kvantattacker.

Algoritm	Funktion	Specifikation	Driftparametrar
Allmänna algoritmer
Advanced Encryption Standard (AES)	Symmetrisk blockchiffer för informationsskydd	FIPS PUB 197	Använd 256-bitarsnycklar för alla klassificeringsnivåer.
ML-KEM (tidigare CRYSTALS-Kyber)	Asymmetrisk algoritm för nyckeletablering	FIPS PUB 203	ML-KEM-1024 för alla klassificeringsnivåer.
ML-DSA (tidigare CRYSTALS-Dilithium)	Asymmetrisk algoritm för digitala signaturer i alla användningsfall, inklusive signering av firmware och programvara	FIPS PUB 204	ML-DSA-87 för alla klassificeringsnivåer.
Säker hashalgoritm (SHA)	Algoritm för att beräkna en kondenserad representation av information	FIPS PUB 180-4	Använd SHA-384 eller SHA-512 för alla klassificeringsnivåer.
Algoritmer tillåtna i specifika applikationer
Leighton-Micali Signature (LMS)	Asymmetrisk algoritm för digital signering firmware och programvara	NIST SP 800-208	Alla parametrar är godkända för alla klassificeringsnivåer. LMS SHA-256/192 rekommenderas.
eXtended Merkle Signature Scheme (XMSS)	Asymmetrisk algoritm för digital signering av firmware och programvara	NIST SP 800-208	Alla parametrar är godkända för alla klassificeringsnivåer.
Säker hashalgoritm 3 (SHA3)	Algoritm som används för att beräkna en kondenserad representation av information som en del av hårdvaruintegritet	FIPS PUB 202	SHA3-384 eller SHA3-512 tillät endast intern hårdvarufunktionalitet (t.ex. integritetskontroller vid uppstart).

Allmänna algoritmer

CNSA 2.0 innehåller en kärnuppsättning algoritmer för kryptering, nyckelutbyte, digitala signaturer och hashing, vilket utgör den kryptografiska grunden för NSS.

Symmetriska algoritmer

AES-256

Advanced Encryption Standard (AES) är fortfarande hörnstenen i symmetrisk kryptering i CNSA 2.0. I enlighet med FIPS PUB 197-standarden använder AES-256 256-bitarsnycklar över alla klassificeringsnivåer, vilket erbjuder maximal säkerhet mot både klassiska och kvanthot.

Detta är ett steg upp från de 128-bitarsnycklar som vanligtvis används i många nuvarande system, vilket ger ett starkare försvar mot potentiella kryptanalytiska framsteg. I praktiken används AES-256 i stor utsträckning inom NSS för att säkra sekretessbelagd kommunikation, skydda lagrad data och möjliggöra krypterade kanaler i kritiska försvars- och underrättelseapplikationer.

Asymmetriska algoritmer

ML-KEM (CRYSTALS-Kyber)

För säker nyckeletablering kräver CNSA 2.0 användning av den modulgitterbaserade nyckelinkapslingsmekanismen (ML-KEM), tidigare känt som CRYSTALS-Kyber, standardiserat i FIPS PUB 203. Mer specifikt krävs parameteruppsättningen ML-KEM-1024 för alla klassificeringsnivåer.

ML-KEM är baserat på problemet med modulinlärning med fel (M-LWE), vilket tros vara motståndskraftigt mot kvantattacker. Det ersätter traditionella nyckelutbytesmetoder som Elliptic Curve Diffie-Hellman (ECDH) och RSA, vilka är sårbara för kvantdatorer. ML-KEM gör det möjligt för två parter att etablera en delad hemlig nyckel över en osäker kanal, som sedan kan användas för symmetrisk kryptering.

ML-DSA (KRISTALLER-Dilitium)

För digitala signaturer, CNSA 2.0 specificerar den modulgitterbaserade digitala signaturalgoritmen (ML-DSA), tidigare CRYSTALS-Dilithium, standardiserad i FIPS PUB 204. Parameteruppsättningen ML-DSA-87 är obligatorisk för alla klassificeringsnivåer. ML-DSA säkerställer att digitala signaturer förblir säkra och verifierbara även i en kvantberäkningsera, och ersätter RSA- och ECDSA-signaturer som kan brytas av kvantalgoritmer. Det används för autentisering och oavvislighet i olika användningsfall, inklusive signering av programvara och firmware.

Hashning: SHA-384 och SHA-512

Hashning är avgörande för integritetsverifiering och digitala signaturoperationer. CNSA 2.0 kräver användning av SHA-384 eller SHA-512, enligt FIPS PUB 180-4, för alla klassificeringsnivåer. Dessa algoritmer ger en högre säkerhetsmarginal än SHA-256, vilket säkerställer ett robust skydd mot potentiella kryptanalytiska framsteg samtidigt som beräkningseffektiviteten bibehålls för högkapacitetsapplikationer.

Specialiserade algoritmer för programvaru- och firmwaresignering

För applikationer som kräver långsiktig säkerhet, såsom signering av programvara och firmware, introducerar CNSA 2.0 hashbaserade signaturscheman optimerade för långsiktig integritet och robusthet.

Leighton-Micali Signature (LMS) Scheme

Leighton-Micali-signaturschemat (LMS), som beskrivs i NIST SP 800-208, är utformat för digital signering av firmware och programvara där signaturer måste förbli giltiga i åratal eller decennier. LMS är ett tillståndsbaserat hashbaserat signaturschema, vilket innebär att det använder engångssignaturer och kräver noggrann nyckelhantering för att garantera säkerhet.

Alla LMS-parameteruppsättningar är godkända för alla klassificeringsnivåer, med LMS SHA-256/192 rekommenderad för dess optimala balans mellan säkerhetsstyrka, beräkningseffektivitet och implementeringstillförlitlighet. LMS är särskilt lämpad för miljöer där hårdvarusäkerhetsmoduler (HSM) används, validerade genom NIST:s Cryptographic Module Validation Program (CMVP).

eXtended Merkle Signature Scheme (XMSS)

eXtended Merkle Signature Scheme (XMSS), som också specificeras i NIST SP 800-208, erbjuder ytterligare ett alternativ för signering av programvara och firmware. Liksom LMS är XMSS ett tillståndsbaserat hashbaserat signaturschema som erbjuder flexibilitet för organisationer att välja konfigurationer baserat på prestandakrav, signaturvolym och operativa begränsningar. Alla XMSS-parameteruppsättningar är godkända över alla klassificeringsnivåer, vilket gör det till ett mångsidigt val för långsiktiga säkerhetsapplikationer.

Ytterligare kryptografiska komponenter

SHA-3 för interna hårdvarufunktioner

CNSA 2.0 godkänner SHA3-384 och SHA3-512, enligt FIPS PUB 202, exklusivt för interna hårdvarufunktioner som säkra startprocesser och kontroller av hårdvaruintegritet. Denna begränsade användning säkerställer modernisering av interna kryptografiska processer samtidigt som strikta interoperabilitetsstandarder upprätthålls och komplexiteten med bredare SHA-3-distribution undviks.

Övergångstidslinje och verkställighet

Övergången till CNSA 2.0 styrs av specifika tidslinjer som anges i National Security Memorandum (NSM)-10:

• Programvaru- och firmwaresigneringOrganisationer uppmuntras att börja använda LMS och XMSS omedelbart, med ett fullständigt införande senast 2025 och slutförande senast 2030.
• Övriga komponenterMålet är att en fullständig övergång inom alla NSS ska vara slutförd senast 2035, med tillfällig användning av CNSA 1.0-algoritmer tillåten men CNSA 2.0 är att föredra.
• Specifika milstolpar:
  1. Webbläsare/servrar och molntjänster: 2025 (föredraget), 2033 (obligatoriskt).
  2. Traditionell nätverksutrustning: 2026 (föredraget), 2030 (obligatoriskt).
  3. Operativsystem: 2027 (föredraget), 2033 (obligatoriskt).
  4. Nischutrustning och anpassade/äldre system: Uppdatera eller ersätt senast 2033.

Efterlevnad upprätthålls genom riskhanteringsramverket (RMF) SC-12 och NSA-godkända eller NIAP-validerade produkter, enligt CNSSP 11. Framstegen övervakas enligt NSM-8 och NSM-10.

Konsekvenser och rekommendationer

CNSA 2.0 representerar en proaktiv strategi för att säkra nationella säkerhetssystem mot framtida kvanthot. Organisationer som är involverade i NSS bör:

• Börja övergångsplaneringBörja integrera CNSA 2.0-algoritmer, särskilt för signering av programvara och firmware, för att möta tidsfristen 2025.
• Utnyttja NIST-standarderAnvänd FIPS- och NIST SP-standarder för att säkerställa efterlevnad och interoperabilitet.
• Övervaka uppdateringarI takt med att kvantberäkningstekniken utvecklas kan ytterligare uppdateringar av CNSA 2.0 släppas, vilket kräver fortsatt vaksamhet.

Hur krypteringskonsulttjänster stöder implementeringen av CNSA 2.0

Krypteringskonsulting ger expertvägledning för att navigera övergången till CNSA 2.0 och säkerställa att era system är kvantumresistenta. Här är en kortfattad översikt över deras supportprocess:

• Kryptografisk upptäckt och inventeringSkannar din IT-miljö för att identifiera kryptografiska tillgångar (certifikat, nycklar, algoritmer) över slutpunkter, applikationer och enheter, vilket skapar en detaljerad inventering för riskbedömning.
• PQC-bedömningUtvärderar kvantberedskap genom att analysera sårbarheter i system som använder RSA eller ECC, granska PKI/HSM-inställningar och prioritering av migreringsbehov med en detaljerad rapport.
• PQC-strategi och färdplanUtformar en skräddarsydd migreringsplan i linje med verksamhetens och CNSA 2.0-kraven, med algoritmisk flexibilitet och en stegvis utrullningsmetod.
• Leverantörsutvärdering och koncepttestIdentifierar PQC-kapabla leverantörer, definierar tekniska krav och genomför PoC-tester för att utvärdera integration och prestanda, vilket ger en jämförelsematris för leverantörer.
• Pilottestning och skalningValiderar PCC lösningar i kontrollerade miljöer, vilket säkerställer interoperabilitet och minimala störningar, följt av en skalbar utrullning med kontinuerlig optimering.
• PQC-implementeringUtför fullskalig migrering, integrerar kvantsäkra algoritmer, tillhandahåller teamutbildning och konfigurerar övervakning för efterlevnad och framtida uppgraderingar.

Med Encryption Consultings expertis kan organisationer tryggt övergå till CNSA 2.0 och bygga en säker och framtidsklar kryptografisk infrastruktur.

Slutsats

CNSA 2.0 är ett avgörande steg mot att framtidssäkra kryptografisk säkerhet för nationella säkerhetssystem. Genom att använda kvantresistenta algoritmer som AES-256, ML-KEM, ML-DSA, SHA-384/512, LMS och XMSS säkerställer NSA att känsliga data förblir skyddade mot både nuvarande och framväxande hot. Den rigorösa valideringsprocessen och tydliga tidslinjer för övergången ger en färdplan för organisationer att uppnå robust, långsiktig säkerhet.