Otimização de desempenho para encriptação pós-quântica: guia do programador

importação concurrent.futures importação ok de digitando importação Lista, Tupla importação hora classe ParallelSigner: """ Assinatura paralela SPHINCS+ para operações em batch Utilize ao subscrever múltiplas mensagens independentes. """ def __iniciar__(self, max_workers: int = None): """ Inicializar Args do signatário paralelo: max_workers: threads CPU a utilizar (padrão: contagem CPU) """ self.max_workers=max_workers or os.cpu_count() def sinal_batch(self, mensagens: Lista[bytes], chave_secreta: bytes) -> Lista[bytes]: """ Assinar múltiplas mensagens em paralelo Args: mensagens: Lista de mensagens para assinar secret_key: Chave secreta SPHINCS+ Retorna: Lista de assinaturas pela mesma ordem das mensagens """ def sinal_único(mensagem: bytes) -> bytes: sig = oqs.Signature("SPHINCS+-SHAKE-128s-simples", chave_secreta) devolver sig.sign(mensagem) com concurrent.futures.ThreadPoolExecutor( max_workers=self.max_workers ) as executor: assinaturas = lista(executor.map(sign_single, mensagens)) devolver assinaturas def assinar_com_chaves(self, itens: Lista[Tupla[bytes, bytes]] # (mensagem, chave_secreta) ) -> Lista[bytes]: """Assinar mensagens com chaves diferentes em paralelo""" def item_de_sinal(artigo: Tupla[bytes, bytes]) -> bytes: mensagem, sk = item sig = oqs.Signature("SPHINCS+-SHAKE-128s-simples", sk) devolver sig.sign(mensagem) com concurrent.futures.ThreadPoolExecutor( max_workers=self.max_workers ) as executor: devolver lista(executor. map(sign_item, itens)) # Comparação de referência def benchmark_parallel_vs_sequential(): #Gerar chave sig = oqs.Signature("SPHINCS+-SHAKE-128s-simples") sig.generate_keypair() sk = sig.export_secret_key() # Criar mensagens de teste mensagens = [f"Mensagem {i}". codificar() para i in intervalo(16)] # Sequencial início = time.perf_counter() sequencial_sigs = [] para mensagem in mensagens: s = oqs.Signature("SPHINCS+-SHAKE-128s-simples", sk) sequential_sigs.append(s.sign(msg)) seq_time = time.perf_counter() - início # Paralelo signatário = ParallelSigner() iniciar = time.perf_counter() paralelo_sigs = signer.sign_batch(mensagens, sk) par_time = time.perf_counter() - iniciar impressão(f"Sequencial: {seq_time:.2f}s ({len(mensagens)/seq_time:.1f} msg/s)") imprimir(f"Paralelo: {tempo_par:. 2f}s ({len(mensagens)/tempo_par:. 1f} msg/s)") imprimir(f"Aceleração: {seq_time/par_time:.2f}x")

classe Verificador Paralelo: """Verificação de assinatura paralela para validadores""" def __iniciar__(self, max_workers: int = None): self.max_workers = max_workers or os.cpu_count() def verificar_batch(self, itens: Lista[Tupla[bytes, bytes, bytes]] # (mensagem, assinatura, pk) ) -> Lista[bool]: """ Verifica múltiplas assinaturas em paralelo Retorna uma lista de resultados de verificação """ def verificar_single(artigo: Tupla[bytes, bytes, bytes]) -> bool: mensagem, assinatura, chave_publica = item tentar: sig = oqs.Signature("SPHINCS+-SHAKE-128s-simples") devolver sig.verify(mensagem, assinatura, chave_pública) exceto: devolver FALSO com concurrent.futures.ThreadPoolExecutor( max_workers=self.max_workers ) as executor: devolver lista(executor. map(verificar_single, itens)) def tudo_válido(self, itens: Lista[Tupla[bytes, bytes, bytes]] ) -> bool: """Verifique rapidamente se todas as assinaturas são válidas""" resultados = self.verify_batch(itens) devolver todos (resultados) # Para blocos de processamento de validadores: definição assíncrona validar_transações_bloco(transações: Lista): verificador = Verificador Paralelo(máx_trabalhadores=8) # Preparar itens de verificação itens = [(tx.signing_message, tx.signature, tx.public_key) para tx in transações] #Verifica tudo em paralelo resultados = verificador.verify_batch(itens) # Filtrar transações válidas válido_txs = [tx para tx, válido in zip(transações, resultados) if válido] devolver válido_txs

de ferramentas funcionais importação lru_cache importação hashlib classe KeyCache: """ Chaves derivadas da cache para evitar derivações repetidas Útil para carteiras HD onde os mesmos caminhos são acedidos frequentemente. """ def __iniciar__(self, max_size: int = 1000): self.max_size = max_size self._cache: dict = {} def obter_ou_derivar(self, master_seed: bytes, caminho: str, deriva_func) -> Tupla[bytes, bytes]: """ Obter a chave armazenada em cache ou derivar e armazenar em cache Args: master_seed: Caminho de semente mestre da carteira: Caminho de derivação deriva_func: Função a ser chamada se houver falha na cache Retorna: (public_key, secret_key) tupla """ # Crie uma chave de cache (não guarde a semente real na chave) cache_key = hashlib.Blake2b(master_seed + path.encode()).hexdigest()[:32] if cache_key in self._cache: devolver self._cache[chave_cache] # Derive chaves pk, sk = deriva_func(master_seed, caminho) # Cache com despejo if len(self. _cache) >= self. max_size: # Despejo FIFO simples (utilizar OrderedDict na produção) mais antigo = seguinte(iter(self. _cache)) del self._cache[mais antigo] self._cache[cache_key] = (pk, sk) devolver pk, sk def claro(próprio): """Limpar todas as chaves em cache (chamar bloqueio da carteira)""" # Apagamento seguro para chave in lista(self. _cache. keys()): pk, sk = self. _cache[chave] # Sobrescrever antes de eliminar self. _cache[chave] = (b'\x00' *len(pk),b'\x00' *len(sk)) del self. _cache[chave] # Uso na carteira classe Carteira Otimizada: def __iniciar__(self, master_seed: bytes): self.master_seed = master_seed self.key_cache = KeyCache(tamanho_máx=500) def get_address_keys(self, caminho: str) -> Tupla[bytes, bytes]: devolver self.key_cache.get_or_derive(self.master_seed, caminho, self._derive_keys) def _derive_keys(self, semente: bytes, caminho: str): # Lógica de derivação real ...

classe AssinaturaCache: """ Resultados da verificação de assinaturas em cache Para que os validadores evitem verificar novamente as transações vistas. """ def __iniciar__(self, max_size: int = 10000): self.max_size = max_size self._verified: dict[str, bool] = {} def _assinatura_id(self, mensagem: bytes, assinatura: bytes, public_key: bytes) -> str: """Criar um ID único para verificação de assinatura""" devolver hashlib.Blake2b(mensagem + assinatura[:64] + chave_pública, # Os primeiros 64 bytes de assinatura são suficientes digest_size=16 .hexdigest() def verificar_ou_verificar(self, mensagem: bytes, assinatura: bytes, public_key: bytes) -> bool: """Verificar cache ou verificar e armazenar resultado em cache""" sig_id = self._signature_id(mensagem, assinatura, chave pública) if sig_id in auto. _verificado: devolver self._verified[sig_id] # Verificar sig = oqs.Signature("SPHINCS+-SHAKE-128s-simples") is_valid = sig.verify(mensagem, assinatura, chave_pública) # Cache (com despejo) if len(self. _verified) >= self. max_size: # Remove cerca de 10% das entradas mais antigas to_remove = list(self. _verified. keys())[:self. max_size // 10] para chave in para_remover: del self._verified[chave] self._verified[sig_id] = is_valid devolver é_válido

importação gc classe MemóriaEfficientSigner: """ Assinatura com utilização eficiente de memória para dispositivos incorporados/móveis """ def subscrever_e_liberar(self, mensagem: bytes, secret_key: bytes) -> bytes: """ Assine a mensagem e liberte imediatamente a memória da chave Utilize para assinaturas únicas em que a chave não deve persistir. """ sig_obj = oqs.Signature("SPHINCS+-SHAKE-128s-simples", chave_secreta) assinatura = sig_obj.sign(mensagem) # Liberta objeto OQS del sig_obj # Sobrescrever a chave secreta if isinstance(chave_secreta, bytearray): para i in intervalo(len(chave_secreta)): chave_secreta[i] = 0 #Força a recolha de lixo gc.collect() devolver assinatura def streaming_sign( self, message_chunks: Iterator[bytes], secret_key: bytes ) -> bytes: """ Assine a mensagem de streaming sem carregar tudo na memória Faça um pré-hash da mensagem em pedaços e depois assine o hash. """ # Mensagem hash em pedaços hasher = hashlib.Blake2b(digest_size=32) para pedaço in mensagem_chunks: hasher.update(chunk) mensagem_hash = hasher.digest() # Subscrever o hash sig = oqs.Signature("SPHINCS+-SHAKE-128s-simples", chave_secreta) devolver sig.sign(mensagem_hash)

# Verifique as características do CPU para uma seleção ideal do algoritmo importação subprocesso def get_cpu_features() -> definir: """Detetar as características SIMD CPU disponíveis""" tentar: #Linux com aberto("/proc/cpuinfo") as f: cpuinfo = f.read() recursos = set() if "avx2" in cpuinfo: recursos.add("avx2") if "avx512" in cpuinfo: recursos.add("avx512") if "sim" in cpuinfo: recursos.add("esni") devolver funcionalidades exceto: devolver conjunto() def select_optimal_variant() ->str: """Selecione a melhor variante do SPHINCS+ para este CPU""" recursos = get_cpu_features() if "avx512" in funcionalidades: # AVX-512 proporciona uma aceleração de aproximadamente 20-30% imprimir("Utilizando implementação optimizada AVX-512") devolver "SPHINCS+-SHAKE-128s-simples" # liboqs seleciona automaticamente Elif "avx2" in características: imprimir ("Utilização de implementação otimizada AVX2") devolver "SPHINCS+-SHAKE-128s-simples" outro: imprimir("Utilizando implementação de referência") devolver "SPHINCS+-SHAKE-128s-simples" # Compilar liboqs com flags ideais # cmake -DOQS_USE_AVX2_INSTRUCTIONS=ON -DOQS_USE_AVX512_INSTRUCTIONS=ON ..

importação estatísticas importação hora classe CriptoBenchmark: """Benchmarking abrangente de PQC""" def __iniciar__(self, iterações: int = 100): self. iterações = iterações def benchmark_operação(self, nome: str, operação, configuração=Nenhum ) -> ditar: """Benchmark de uma única operação""" vezes = [] para _ in intervalo (auto. iterações): if configuração: ctx = setup() início = time.perf_counter() if configuração: operação (ctx) outro: operação() decorrida = (time.perf_counter() - início) * 1000 # EM times.append(decorrido) devolver { "nome": nome, "significar": estatísticas.média(vezes), "mediana": estatísticas.mediana(vezes), "desv padrão": estatísticas.stdev (vezes), "min": min(vezes), "máximo": máx (vezes), "ops_per_seg": 1000 / estatísticas.mean(vezes) } def run_full_benchmark(auto) -> ditado: """Executar conjunto completo de benchmark PQC""" resultados = {} #Benchmarks Kyber resultados["kyber_keygen"] = self.benchmark_operação( "Kyber-768 KeyGen", lambda: oqs.KeyEncapsulation("Kyber768".generate_keypair() ) #Configuração para encap/decap kem = oqs.KeyEncapsulation("Kyber768") pk = kem.generate_keypair() sk = kem.export_secret_key() resultados["kyber_encap"] = self.benchmark_operação( "Kyber-768 Encap", lambda: kem.encap_secret(pk) ) ct, _ = kem.encap_secret(pk) kem_dec = oqs.KeyEncapsulation("Kyber768", sk) resultados["kyber_decap"] = self.benchmark_operação( "Kyber-768 Decap", lambda: kem_dec.decap_secret(ct) ) #Benchmarks SPHINCS+ resultados["sphincs_keygen"] = self.benchmark_operação( "SPHINCS+-SHAKE-128s KeyGen", lambda: oqs. Assinatura("SPHINCS+-SHAKE-128s-simples".generate_keypair() ) sig = oqs.Signature("SPHINCS+-SHAKE-128s-simples") sig.generate_keypair() spx_sk = sig.export_secret_key() msg ​​​​= b"x" *256 resultados["sphincs_sign"] = self.benchmark_operação( "Sinal SPHINCS+-SHAKE-128s", lambda: oqs. Assinatura("SPHINCS+-SHAKE-128s-simples", spx_sk).sign(msg), iterações=20 # Menos devido à lentidão ) devolver resultados def imprimir_resultados(auto, resultados: ditado): """Resultados de benchmark de impressão bonita""" imprimir("\n=== Referência de desempenho PQC ===") imprimir(f"Iterações: {self. iterações}\n") para chave, dados in resultados.items(): imprimir(f"{dados['nome']}:") imprimir(f" Média: {dados['média']:.3f}ms") imprimir(f" Mediana: {dados['mediana']:.3f}ms") imprimir(f" Operações/s: {dados['ops_per_seg']:.1f}") imprimir() # Executar benchmark if __nome__ == "__principal__": banco = CriptoBenchmark(iterações = 50) resultados = bench.run_full_benchmark() bench.print_results(resultados)