Performance Evaluation of Post-Quantum Cryptography in Avionic Communication

La possibilité de disposer d’ordinateurs quantiques entièrement fonctionnels représente un risque pour les systèmes cryptographiques publics utilisés aujourd’hui. En effet, grâce à l’algorithme de Shor, ces ordinateurs pourraient être en mesure de casser les algorithmes RSA et ECC. Afin de sécuriser nos communications contre de tels ordinateurs, il est nécessaire d’utiliser des algorithmes résistants à ces potentielles attaques quantiques. Le NIST a lancé un processus de standardisation de quelques candidats post-quantiques pour l’encapsulation de clés et les signatures numériques, et a actuellement sélectionné quatre d’entre eux pour la normalisation. Cependant, certains de ces algorithmes nécessitent une puissance de calcul plus élevée, une bande passante plus élevée et une utilisation de mémoire plus importante que les algorithmes classiques utilisés aujourd’hui. Cela pose un défi pour l’implémentation de tels algorithmes dans des dispositifs à faible consommation d’énergie. Dans cette recherche, nous avons évalué les performances de ces algorithmes dans les systèmes avioniques, plus précisément dans les systèmes de communication avionique. L’avionique fait référence au matériel électronique utilisé par les aéronefs pour soutenir leur fonctionnement, leur navigation, leur communication et leur fonctionnalité globale. Les systèmes de communication avionique sont généralement considérés comme de l’électronique de faible puissance avec une bande passante très limitée, ce qui rend la mise en oeuvre du post-quantique sur ces systèmes un défi. La conception des communications air-sol englobe toutes les communications avioniques où un aéronef communique avec une station au sol. Ces communications ne sont généralement pas chiffrées. Cependant, l’infrastructure ATN/IPS est actuellement en cours de développement pour prendre en charge l’ajout de confidentialité et d’authentification via DTLS. Dans cette recherche, nous présenterons les impacts du passage des algorithmes cryptographiques classiques aux algorithmes post-quantiques dans DTLS pour les communications air-sol en utilisant ATN/IPS comme modèle. Nos résultats ont montré que les meilleurs candidats pour les communications avioniques sont KYBER et Falcon. En émulant la phase Handshake de DTLS dans ATN/IPS sur du matériel avionique, nous concluons d’abord que l’utilisation de bande passante plus élevée de ces algorithmes sera le facteur le plus impactant dans les communications avioniques lors de la transition aux algorithmes post-quantiques. Plus spécifiquement, passer de ECC à KYBER doublerait généralement le temps de complétion de la phase Handshake et la même chose peut être dite pour la transition ECC à Falcon.

Abstract

The possibility of fully functional quantum computers is causing a risk to the public cryptosystems used today. Indeed, using Shor’s algorithm, these computer could be able to break RSA and ECC . To secure our communication against such computer, we need to use algorithms resistant to these potential quantum attack. The NIST started a process to standardize a few post-quantum candidate for key encapsulation a digital signature and currently selected 4 of them for standardization. However, some of these algorithms requires higher computational power, higher bandwidth and higher memory usage. This pose a challenge to implement such algorithms in low-power devices. This research aims to evaluate the performance of these algorithms in avionic systems, more specifically avionic communication systems. Avionic refers to the electronics that is used by aircrafts to support their operation, navigation, communication, and overall functionality. Avionic communications systems are usually considered legacy hardware with very limited bandwidth which makes the implementation of post-quantum on these system a challenge. Air-ground communication design all avionic communication where an aicraft communicates to a ground station. These communication are usually not encrypted. However, the ATN/IPS infrastructure is currently being developed to support the addition of confidentiality and authentication through DTLS. In this research we will present the impacts of transition from classical cryptograpgic algorithms to post-quantum algorithms in DTLS for air-ground communication using ATN/IPS as a model. Our results showed that the best candidates for avionic communication are Kyber and Falcon. By emulating a DTLS handshake in ATN/IPS on avionic hardware, we first conclude that the higher bandwidth usage of these algorithm will be the most impactful factor in avionic communication when transitioning to post-quantum algorithms. More specially, transitioning from ECC to KYBER would generally double the handshake completion time and the same can be said about transitioning from ECC to Falcon.