测试后量子密码学实现：开发人员指南

# PQC 测试的requirements.txt pytest>=7.0.0 pytest-xdist>=3.0.0 # 并行测试执行 pytest-cov>=4.0.0 # 覆盖率报告 假设>=6.0.0 # 基于属性的测试 liboqs-python>=0.9.0 # PQC 算法 pycryptodome>=3.19.0 # 额外的加密实用程序

# conftest.py - Pytest 配置 进口 py测试 进口 奥克斯 @pytest.fixture 定义 kyber_kem(): """提供 Kyber-768 KEM 实例的夹具""" 返回 oqs.KeyEncapsulation(“凯伯768”) @pytest.fixture 定义 sphincs_sig(): """提供SPHINCS+-SHAKE-128s签名实例的夹具""" 返回 oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-简单”) @pytest.fixture 定义 kyber_keypair（kyber_kem）： """用于测试的预生成 Kyber 密钥对""" pk = kyber_kem.generate_keypair() sk = kyber_kem.export_secret_key() 返回 PK、SK @pytest.fixture 定义 sphincs_密钥对（sphincs_sig）： """用于测试的预生成 SPHINCS+ 密钥对""" pk = sphincs_sig.generate_keypair() sk = sphincs_sig.export_secret_key() 返回 PK、SK

# test_kats.py - 已知答案测试 进口 py测试 进口 json 从 路径库 进口 小路 班级 测试KyberKAT: """ Kyber-768 的已知答案测试 NIST ML-KEM 规范中的测试向量 """ @pytest.fixture 定义 卡特向量（自己）： """加载官方 KAT 矢量""" kat_path = 路径(__file__).parent / “向量” / “kyber768_kat.json” 和 打开（kat_path） as f: 返回 json.load(f) 定义 测试封装卡特（自我，kat_vectors，kyber_kem）： """验证封装产生预期的密文""" 为了 向量 in 凯特向量[“封装”]: pk = bytes.fromhex(向量[“公钥”]) Expected_ct = bytes.fromhex(向量[“密文”]) Expected_ss = bytes.fromhex(向量[“共享秘密”]) 种子 = bytes.fromhex(向量[“种子”]) # 注意：确定性封装需要修改库 # 这测试了参考实现模式 ct, ss = kyber_kem.encap_secret(pk) # 验证密文长度 断言 len(ct) == len(expected_ct), “密文长度不匹配” # 验证共享密钥长度 断言 len(ss) == len(expected_ss), “共享秘密长度不匹配” 定义 test_decapsulation_kat（自我，kat_vectors，kyber_kem）： """验证解封装恢复预期的共享秘密""" 为了 向量 in 凯特向量[“解封”]: sk = bytes.fromhex(向量[“秘密密钥”]) ct = bytes.fromhex(向量[“密文”]) Expected_ss = bytes.fromhex(向量[“共享秘密”]) kem = oqs.KeyEncapsulation(“凯伯768”, sk) ss = kem.decap_secret(ct) 断言 ss ==预期_ss， “共享秘密不匹配” 班级 测试SPHINCSPlusKAT: """SPHINCS+-SHAKE-128s 的已知答案测试""" @pytest.fixture 定义 卡特向量(self): kat_path = Path(__file__).parent / “向量” / “sphincs128s_kat.json” 和 打开（kat_path） as f: 返回 json.load(f) 定义 测试签名验证卡特（自我，kat_向量）： """验证已知签名是否正确验证""" 为了 向量 in 凯特向量[“确认”]: pk = bytes.fromhex(向量[“公钥”]) 消息 = bytes.fromhex(向量[“信息”]) 签名 = bytes.fromhex(向量[“签名”]) sig = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-简单”) is_valid = sig.verify(消息, 签名, pk) 断言 有效，f“KAT签名验证失败”

# test_roundtrip.py 进口 py测试 进口 秘密 班级 测试KyberRoundTrip: """Kyber KEM 的往返测试""" 定义 test_basic_kem_cycle（自我，kyber_kem，kyber_keypair）： """基本封装→解封装循环""" pk, sk = kyber_keypair # 封装 密文，shared_secret_enc = kyber_kem.encap_secret(pk) # 解封装 kem_with_sk = oqs.KeyEncapsulation(“凯伯768”, sk)shared_secret_dec = kem_with_sk.decap_secret(密文) 断言 共享秘密_enc == 共享秘密_dec @pytest.mark.parametrize(“迭代”, [100, 1000]) 定义 test_repeated_kem_cycles（自我、kyber_kem、kyber_keypair、迭代）： """验证 KEM 在多次迭代中一致工作""" pk, sk = kyber_keypair kem_with_sk = oqs.KeyEncapsulation(“凯伯768”, sk） 为了 _ in 范围（迭代）：ct，ss_enc = kyber_kem.encap_secret（pk） ss_dec = kem_with_sk.decap_secret（ct） 断言 ss_enc == ss_dec 定义 test_不同_密钥对_产生_不同_结果（自我，kyber_kem）： """验证不同的密钥产生不同的共享秘密""" # 生成两个不同的密钥对 pk1 = kyber_kem.generate_keypair() sk1 = kyber_kem.export_secret_key() kem2 = oqs.KeyEncapsulation(“凯伯768”) pk2 = kem2.generate_keypair() # 封装到每一个 ct1, ss1 = kyber_kem.encap_secret(pk1) ct2, ss2 = kyber_kem.encap_secret(pk2) # 共享秘密应该不同 断言 SS1！=SS2 班级 测试SPHINCSRoundTrip: """SPHINCS+ 签名的往返测试""" 定义 测试基本签名验证（自我，sphincs_sig，sphincs_keypair）： """基本标志→验证周期""" pk, sk = sphincs_keypair 消息 = b“SPHINCS+ 签名的测试消息” ＃ 符号 sig_with_sk = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-简单”, sk) 签名 = sig_with_sk.sign(消息) ＃ 核实 is_valid = sphincs_sig.verify(消息, 签名, pk) 断言 有效 @pytest.mark.parametrize(“消息大小”, [0, 1, 100, 1000, 10000, 100000]) 定义 测试各种消息大小（自身、sphincs_sig、sphincs_keypair、消息大小）： """验证各种消息大小的签名是否有效""" pk, sk = sphincs_keypair message = Secrets.token_bytes(message_size) sig_with_sk = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-简单”, sk) 签名 = sig_with_sk.sign(消息) 断言 sphincs_sig.verify（消息，签名，pk） 定义 测试签名决定论（自我，sphincs_keypair）： """ 注意：SPHINCS+ 默认是随机的 相同的消息产生不同的签名（均有效） """ pk, sk = sphincs_keypair 消息 = b“测试消息” sig1 = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-简单”, sk) sig2 = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-简单”, sk) 签名1 = sig1.sign(消息) 签名2 = sig2.sign(消息) # 签名不同但都经过验证 断言 签名1!=签名2 # 随机化 验证者 = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-简单”) 断言 verifier.verify(消息, 签名1, pk) 断言 verifier.verify(消息, 签名2, pk)

# test_edge_cases.py 进口 py测试 班级 测试KyberEdgeCases: """Kyber 的边缘情况和错误条件""" 定义 test_invalid_public_key_length（自我，kyber_kem）： """拒绝格式错误的公钥""" 和 pytest.raises（异常）：kyber_kem.encap_secret（b“过短”) 定义 test_invalid_ciphertext_length（自我，kyber_keypair）： """拒绝格式错误的密文""" pk, sk = kyber_keypair kem = oqs.KeyEncapsulation(“凯伯768”, sk） 和 pytest.raises（异常）：kem.decap_secret（b“无效的密文”) 定义 test_wrong_secret_key_fails_decap（自我，kyber_kem，kyber_keypair）： """使用错误密钥解封装会产生不同的共享秘密""" pk, sk = kyber_keypair # 封装为pk ct, ss_original = kyber_kem.encap_secret(pk) # 生成不同的密钥对 kem2 = oqs.KeyEncapsulation(“凯伯768”) kem2.generate_keypair() sk2 = kem2.export_secret_key() # 使用错误的密钥解封装 kem_wrong = oqs.KeyEncapsulation(“凯伯768”, sk2) ss_wrong = kem_wrong.decap_secret(ct) # 共享秘密应该不同（IND-CCA 安全性） 断言 ss_原始！= ss_错误 班级 测试SPHINCSEdgeCases: """SPHINCS+ 的边缘情况""" 定义 测试_空_消息（自我，sphincs_sig，sphincs_keypair）： """签署空消息应该有效""" pk, sk = sphincs_keypair 消息 = b"" sig_with_sk = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-简单”, sk) 签名 = sig_with_sk.sign(消息) 断言 sphincs_sig.verify（消息，签名，pk） 定义 测试修改消息失败（自我，sphincs_sig，sphincs_keypair）： """如果消息被修改则验证失败""" pk, sk = sphincs_keypair 消息 = b“原始消息” sig_with_sk = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-简单”, sk) 签名 = sig_with_sk.sign(消息) # 修改消息 修改=b“已修改消息” 断言不 sphincs_sig.verify（修改，签名，pk） 定义 测试修改签名失败（自我，sphincs_sig，sphincs_keypair）： """如果签名被修改则验证失败""" pk, sk = sphincs_keypair 消息 = b“测试消息” sig_with_sk = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-简单”, sk) 签名 = sig_with_sk.sign(消息) # 在签名中翻转一点 modified_sig = bytearray(签名)modified_sig[100] ^= 0x01modified_sig = 字节(modified_sig) 断言不 sphincs_sig.verify（消息，modified_sig，pk） 定义 测试错误公共密钥失败（自我，sphincs_sig，sphincs_keypair）： """使用不同的公钥验证失败""" pk1, sk1 = sphincs_keypair # 生成第二个密钥对 sig2 = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-简单”) pk2 = sig2.generate_keypair() 消息 = b“测试消息” # 用sk1签名 sig_with_sk = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-简单”, sk1) 签名 = sig_with_sk.sign(消息) # 使用 pk2 验证应该会失败 断言不 sphincs_sig.verify（消息，签名，pk2）

# 测试属性.py 从 假设 进口 给定，策略 as 圣，设置 进口 奥克斯 班级 测试KyberProperties: """Kyber 基于属性的测试""" @给定(st.binary(min_size=0, max_size=10000)) @设置（最大示例=100，截止日期=无） 定义 test_encap_decap_roundtrip_any_key（自身，随机数据）： """ 属性：对于任何密钥对，encap 后跟 decap 始终会生成匹配的共享密钥 """ kem = oqs.KeyEncapsulation(“凯伯768”) pk = kem.generate_keypair() sk = kem.export_secret_key() ct, ss_enc = kem.encap_secret(pk) kem_dec = oqs.KeyEncapsulation(“凯伯768”, sk) ss_dec = kem_dec.decap_secret(ct) 断言 ss_enc == ss_dec @给定(st.binary(min_size=1, max_size=1088)) @设置（最大示例=100，截止日期=无） 定义 test_malformed_ciphertext_handled（自我，垃圾）： """ 属性：格式错误的密文不会崩溃，要么引发异常，要么返回无效的秘密 """ kem = oqs.KeyEncapsulation(“凯伯768”) kem.generate_keypair() sk = kem.export_secret_key() kem_dec = oqs.KeyEncapsulation(“凯伯768”, sk） 尝试: # 应该提出或返回（隐式拒绝） 结果= kem_dec.decap_secret（垃圾） # 如果它返回，那就没问题（隐式拒绝） 断言 长度（结果）== 32 # 仍然返回 32 字节秘密 除了 例外： # 加注也是可以接受的 经过 班级 测试SPHINCS属性: """SPHINCS+ 基于属性的测试""" @给定(st.binary(min_size=0, max_size=50000)) @设置（最大示例=50，截止日期=无） # 由于签名速度较慢而减少 定义 test_sign_verify_any_message（自我，消息）： """ 属性：任何消息都可以签名和验证""" sig = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-简单”) pk = sig.generate_keypair() sk = sig.export_secret_key() 签名者 = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-简单”, sk) 签名 = 签名者.sign(消息) 断言 sig.verify(消息、签名、pk) @给定( st.binary(min_size=1, max_size=1000), st.integers(min_value=0, max_value=7855) ) @设置（最大示例=50，截止日期=无） 定义 test_bit_flip_breaks_signature（自我，消息，翻转位置）： """ 属性：翻转签名中的任何位都会导致失败""" sig = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-简单”) pk = sig.generate_keypair() sk = sig.export_secret_key() 签名者 = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-简单”, sk) 签名 = 签名者.sign(消息) # 在位置翻转位 修改 = bytearray(签名) byte_pos = Flip_position % len(修改) bit_pos = Flip_position % 8 修改[byte_pos] ^= (1 << bit_pos) modified = bytes(modified) # 验证失败 断言不 sig.verify（消息，修改，pk）

# test_synx_wallet.py 进口 py测试 从 同步钱包 进口 SynXHDWallet、交易生成器 班级 TestSynXWallet集成: """SynX抗量子钱包集成测试""" @pytest.fixture 定义 测试钱包（自己）： """使用已知助记词创建测试钱包""" 助记符= “放弃 ” * 23 + “艺术” 返回 SynXHDWallet(助记词,密码=“测试”) 定义 测试地址推导确定性（自我，测试钱包）： """相同的路径总是产生相同的地址""" addr1 = test_wallet.derive_address(0, 0, 0) addr2 = test_wallet.derive_address(0, 0, 0) 断言 地址1.地址==地址2.地址 断言 addr1.kyber_public == addr2.kyber_public 断言 addr1.sphincs_public == addr2.sphincs_public 定义 测试不同路径不同地址（自我，测试钱包）： """不同的路径产生不同的地址""" addr1 = test_wallet.derive_address(0, 0, 0) addr2 = test_wallet.derive_address(0, 0, 1) addr3 = test_wallet.derive_address(0, 1, 0) addr4 = test_wallet.derive_address(1, 0, 0) 地址 = {addr1.address, addr2.address, addr3.address, addr4.address} 断言 len(地址) == 4 定义 测试交易签名（自我，测试钱包）： """签名交易验证正确""" 发件人 = test_wallet.derive_address(0, 0, 0) 收件人 = test_wallet.derive_address(0, 0, 1) # 构建并签署交易 builder = TransactionBuilder(test_wallet) tx = builder.add_output(recipient.address, 100000000,recipient.kyber_public ).build() # 验证签名 sig = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-简单”) 为了 因普 in tx.inputs: is_valid = sig.verify( tx.serialize_for_signing(), inp.sphincs_signature, inp.sphincs_public_key ) 断言 有效

# 测试性能.py 进口 py测试 进口 时间 进口 统计数据 班级 测试性能基准: """回归检测的性能基准""" # 预期性能基线（根据硬件调整） KYBER_KEYGEN_MAX_MS = 10 KYBER_ENCAP_MAX_MS = 5 KYBER_DECAP_MAX_MS = 5 SPHINCS_KEYGEN_MAX_MS = 100 SPHINCS_SIGN_MAX_MS = 500 SPHINCS_VERIFY_MAX_MS = 50 定义 _基准（自我，功能，迭代= 100）： """多次运行函数并返回统计信息""" 次数 = [] 为了 _ in 范围（迭代）：开始 = time.perf_counter() func() 经过 = (time.perf_counter() - 开始) * 1000 ＃ 多发性硬化症 times.append(已过去) 返回 { “意思是”: 统计.平均值(次), “中位数”: 统计.中位数(次), “标准开发”: 统计.stdev(次) if 长度（次）> 1 别的 0, “分钟”：分钟（次）， “最大限度”: 最大(次) } 定义 test_kyber_keygen_performance（自己）： """在预期时间内生成 Kyber 密钥""" 定义 注册机(): kem = oqs.KeyEncapsulation(“凯伯768”) kem.generate_keypair() stats = self._benchmark(keygen) print(f“\nKyber 注册机：{stats['mean']:.2f}ms (±{stats['stdev']:.2f})”) 断言 统计数据[“意思是”] < self.KYBER_KEYGEN_MAX_MS 定义 test_sphincs_sign_performance（自己）： """SPHINCS+ 在预期时间内签约""" sig = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-简单”) sig.generate_keypair() sk = sig.export_secret_key() message = b"x" * 256 定义 符号(): 签名者 = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-简单”, sk) signer.sign(message) stats = self._benchmark(sign, iterations=20) # 由于速度较慢而减少 打印（f"\nSPHINCS+ 符号：{stats['mean']:.2f}ms (±{stats['stdev']:.2f})") 断言 统计数据[“意思是”] < self.SPHINCS_SIGN_MAX_MS

# 运行所有覆盖率测试 pytest 测试/ -v --cov=synx_wallet --cov-report=html # 仅运行 KAT 测试 pytest 测试/test_kats.py -v # 并行执行运行 pytest 测试/-n auto # 运行性能测试并输出 pytest 测试/test_performance.py -v -s