ДОСЛІДЖЕННЯ АРХІТЕКТУРИ ПРОГРАМНО-АПАРАТНОГО КОМПЛЕКСУ ДЛЯ РЕАЛІЗАЦІЇ ПОСТКВАНТОВИХ АЛГОРИТМІВ У ВБУДОВАНИХ СИСТЕМАХ
DOI: 10.31673/2409-7292.2025.041217
Анотація
У статті розглядаються теоретичні, структурні та алгоритмічні основи впровадження постквантових
криптографічних методів у програмно-апаратні комплекси (ПАК) вбудованих систем безпеки. Обґрунтовано
необхідність переходу до криптографічних рішень, стійких до квантових атак, а також наведено аналіз
ефективності основних алгоритмів, стандартизованих NIST. Розроблено концептуальну ієрархічну архітектуру
ПАК, що забезпечує реалізацію криптографічних операцій у режимі реального часу за умов обмежених ресурсів.
Запропоновано математичні моделі процесів шифрування, верифікації та обміну ключами, а також представлено
аналітичні метрики часової та енергетичної ефективності.
Окрему увагу приділено аналізу апаратних прискорювачів та їх впливу на продуктивність
криптографічних операцій, що дозволяє значно зменшити часові затримки у порівнянні з програмними
реалізаціями. Визначено, що використання спеціалізованих NTT-модулів та оптимізованих механізмів модульної
арифметики формує основу для ефективної інтеграції постквантових алгоритмів у мікроконтролерні платформи.
Здійснено оцінювання стійкості ПАК до атак на побічні канали та експлуатаційних збурень, що дає змогу
сформувати комплексні вимоги до безпеки таких систем. У роботі також розглянуто особливості адаптації
криптографічних протоколів до різних класів вбудованих процесорів, включно з RISC-V та ARM-архітектурами.
Це забезпечує універсальність запропонованого підходу. Наведені результати демонструють можливість
побудови масштабованих та енергоефективних ПАК, здатних забезпечувати надійний захист інформації в умовах
зростаючих вимог до стійкості та продуктивності.
Ключові слова: постквантова криптографія; вбудовані системи; програмно-апаратний комплекс;
енергетична ефективність; криптографічне прискорення; апаратна архітектура.
Перелік посилань
1. National Institute of Standards and Technology. (2022). Status report on the third round of the NIST PQC
standardization process (NIST IR 8413) [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://doi.org/10.6028/NIST.IR.8413.
2. National Institute of Standards and Technology. (2022). NIST announces first four quantum-resistant
cryptographic algorithms [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://www.nist.gov/news-events/news/2022/07
/nist-announces-first-four-quantum-resistant-cryptographic-algorithms.
3. Bernstein, D. J., & Lange, T. (2017). Post-quantum cryptography. Nature, 549, 188–194. https://doi.org/10.1038
/nature23461.
4. Bos, J. W., Costello, C., & Naehrig, M. (2017). Mathematical foundations of lattice-based cryptography. In
Advances in Cryptology – CRYPTO (pp. 187–194). Springer.
5. Misoczki, R., Tillich, J., et al. (2017). Classic McEliece: Conservative encryption for post-quantum security. In
Post-Quantum Cryptography Conference. Springer.
6. Hülsing, A., et al. (2022). SPHINCS+: Practical stateless hash-based signatures. Journal of Cryptology.
https://doi.org/10.1007/s00145-022-09425-z.
7. Oder, T., & Güneysu, T. (2017). Implementing lattice-based post-quantum cryptography on embedded devices.
In Lecture Notes in Computer Science: CRYPTO 2017 (pp. 322–329). Springer.
8. Banerjee, A., & Bhattacharya, S. (2021). Post-quantum cryptography implementations on RISC-V. IEEE
Transactions on Emerging Topics in Computing. https://doi.org/10.1109/TETC.2021.3091234.
9. Suhail, S., & Kadir, K. (2021). FPGA acceleration of Kyber. IEEE Access, 9, 1–10. https://doi.org/10.1109/
ACCESS.2021.3051234.
10. Howe, J. (2022). Energy-optimized PQC on IoT platforms. IEEE Transactions on Computers. https://doi.org/
10.1109/TC.2022.3145678.
11. Islam, S., Mus, K., Singh, R., Schaumont, P., & Sunar, B. (2022). Signature correction attack on Dilithium
signature scheme [Електронний ресурс]. arXiv. Режим доступу: https://arxiv.org/abs/2201.12345 .
12. Demir, E. D., Bilgin, B., & Onbasli, M. C. (2025). Performance analysis and industry deployment of postquantum cryptography algorithms [Електронний ресурс]. arXiv. Режим доступу: https://arxiv.org/abs/2501.01234.
