Python中的后量子TLS实现与AWS实战指南

背景与动机

在亚马逊云科技（AWS），安全是首要任务。维护数据机密性是AWS及客户运营环境安全的重要组成部分。尽管尚未实现，但密码学相关量子计算机（CRQC）可能被用于破解当前提供数据机密性的公钥算法。为应对CRQC可能存在的未来，美国国家标准与技术研究院（NIST）启动了新算法搜索，以抵御潜在CRQC威胁。2024年8月，经过密码学社区八年严格审查，NIST选择了三种后量子密码学（PQC）标准，包括FIPS 203的ML-KEM，以补充并最终替代经典公钥算法。

近期AWS博客文章讨论了AWS的PQC实施，特别是使用ML-KEM的后量子传输层安全（PQ TLS）：

• PQ TLS原理与工作机制
• PQ TLS性能深度分析
• 在AWS SDK for Java v2中使用PQ TLS
• AWS PQC迁移计划

本文展示如何在Python应用中测试PQ TLS。

Python中的PQ TLS测试

混合TLS配置

AWS当前以混合配置部署PQ TLS，其中经典密钥交换与ML-KEM并行使用，为数据机密性提供深度防御。ML-KEM的密钥比经典方案大得多，因此混合TLS握手在建立连接时发送和接收更多数据。与其他协议更新一样，在网络中测试混合TLS以验证安全设备和网络设备能否正确处理这些连接至关重要。我们希望提供的AWS示例对此类测试有所帮助。

客户端要求

协商混合TLS需要在连接两端（客户端和服务器）都具备PQ就绪软件。AWS目前正在服务器端透明地推出混合TLS，无需客户配置。在客户端，每种语言SDK启用混合TLS的方式略有不同。

AWS SDK for Python（Boto3）依赖Python解释器的ssl模块进行TLS，该模块又使用操作系统的密码库。对于大多数Linux发行版，这是OpenSSL。OpenSSL最近宣布支持混合TLS，并在版本3.5中默认启用。然而，OpenSSL 3.5尚未成为大多数操作系统发行版的默认版本。

测试环境搭建

为解除测试障碍，我们提供了一个容器定义，该容器在标准Python发行版旁安装OpenSSL 3.5，允许Python应用执行PQ混合TLS连接。容器定义还安装了常见包，如boto3和requests。我们提供示例Python代码，用于与以下对象进行基本交互：

• AWS服务（使用boto3和AWS命令行界面（AWS CLI））
• 任意HTTPS端点（使用requests库）
• TLS保护的TCP服务器（使用Python标准库ssl模块）

以下部分逐步介绍如何使用此容器定义测试从Python应用到AWS服务的PQ TLS连接。

构建容器

您可以在本地机器上构建此容器，也可以在云环境（如Amazon Elastic Compute Cloud（Amazon EC2）或AWS CloudShell）中构建。请注意，如果要测试机器与AWS之间的网络路径，必须在本地构建和运行容器。构建容器的唯一先决条件是安装Docker（或等效容器工具）。为简单起见，以下步骤主要假设您在Linux CloudShell环境中运行这些命令。

1. 克隆示例仓库：git clone https://github.com/aws-samples/sample-post-quantum-tls-python
2. 进入示例目录并构建容器：cd sample-post-quantum-tls-python && docker build . -t pq-tls-python

运行容器

要运行前述示例，执行以下命令：

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docker run --rm \
    -e AWS_ACCESS_KEY_ID=$(aws configure get aws_access_key_id) \
    -e AWS_SECRET_ACCESS_KEY=$(aws configure get aws_secret_access_key) \
    -it pq-tls-python \
    test.sh

前述命令假设您有一个具有调用AWS Secrets Manager ListSecrets API权限的AWS CLI默认配置文件。拥有此权限后，您可以对支持PQ的Secrets Manager API端点进行基本的只读测试调用，这些调用不会返回敏感或秘密值。在CloudShell中，您需要使用aws configure设置访问密钥和秘密密钥值。在Amazon EC2中，您可以配置实例配置文件并移除访问密钥和秘密密钥环境变量。

在打印出Python使用的密码库名称和版本后，test.sh将测试用于保护以下内容的混合TLS连接（按顺序）：

• 使用Python的socket和ssl模块的TCP套接字
• 使用requests库的HTTP请求
• 使用boto3和AWS CLI的AWS API请求

如果测试成功，您应看到以下输出：

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Crypto library: OpenSSL 3.5.0 8 Apr 2025
Testing ssl socket... ok
Testing requests... ok
Testing boto3... ok
Testing AWS CLI... ok

您可以根据需要检查、修改和扩展tests/目录中的示例。除了运行提供的test.sh脚本，您还可以使用以下命令访问交互式shell：

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docker run --rm -it pq-tls-python

如果添加或修改测试文件，请确保重新构建容器。

确认PQ TLS协商

要确认PQ混合TLS已协商，检查样本的TLS握手以确认执行了PQ混合TLS密钥交换。为此，您必须捕获主机网络流量。在CloudShell中，您可以使用以下命令：

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sudo tcpdump -A -i docker0 -w pq_tls.pcap

这将捕获Docker网络接口docker0上的流量。或者，如果您在本地运行容器，可以在Wireshark的GUI中在本地网络接口（如Linux上的docker0或MacOS上的en0）上执行数据包捕获。

接下来，在单独终端中使用“运行容器”部分的Docker run命令运行测试套件。如前所述，您应在终端中看到成功消息，如果使用tcpdump，还会看到一个名为pq_tls.pcap的新文件。您可以从CloudShell下载此文件以在本地Wireshark中查看。具体来说，查找客户端或服务器Hello握手消息中的key_share扩展。如果您使用Wireshark查看数据包捕获，可以指定显示过滤器tls.handshake以仅显示握手消息。您的数据包捕获应类似于图1：

在图1中，您可以看到在服务器Hello握手消息中选择了X25519MLKEM768，表明PQ混合TLS已成功协商。

结论

在本文中，您了解了如何使用容器定义在Python中测试PQ混合TLS。链接的AWS示例展示了如何为以下对象建立PQ混合TLS连接：

• 使用boto3或AWS CLI的AWS API请求
• 使用requests库的通用HTTPS请求
• 使用Python的socket和ssl模块的TLS保护TCP套接字

我们鼓励您使用AWS示例开始审查网络和Python应用，为即将到来的PQ混合TLS迁移做准备。AWS致力于在客户迁移旅程中提供支持，PQ混合TLS也不例外。

如果您对本文有反馈，请在下方评论部分提交评论。如果您对本文有疑问，请联系AWS支持。