Implementation and Performance Evaluation of Quantum-Safe Cryptography in C: A Comparative Study Using LibOQS and OpenSSL

This thesis focuses on the analysis and testing of some encryption and signature algorithms, resistant to quantum computer attacks, known as quantum safe algorithms, recently evaluated by NIST (National Institute of Standards and Technology), aiming to protect data against future quantum computing threats. The study objective is to evaluate the performance of some quantum safe encryption, digital signature and key generation algorithms implemented using the liboqs library and compare these performances with the ones of traditional algorithms implemented using the OpenSSL library presenting a comparative analysis of these solutions, and proposing their applications in some real scenarios. Specifically, we developed applications and measured the time/performance for key encapsulation, decapsulation, encryption, decryption, signature creation and validation processes. Our methodology involved implementing various, quantum-resistant and not, cryptographic algorithms in both libraries and recording the time taken to complete each cryptographic operation. The results revealed significant differences in execution times among the algorithms tested. These findings highlight the trade-offs between computational efficiency and security provided by each approach. The study concludes that while both liboqs and OpenSSL offer viable quantum-safe solutions, the choice of an algorithm should be guided by specific application requirements, prioritizing either speed or security. Future research should focus on further optimization and real-world testing of these algorithms to enhance their practical applicability.

Questa tesi si concentra sull'analisi e sul test di alcuni algoritmi di crittografia e firma, resistenti agli attacchi informatici quantistici, noti come Quantum Secure Algorithms, recentemente valutati dal NIST (National Institute of Standards and Technology), con l'obiettivo di proteggere i dati dalle future minacce del calcolo quantistico. L'obiettivo dello studio è valutare le prestazioni di alcuni algoritmi di crittografia quantistica sicura, firma digitale e generazione di chiavi implementati utilizzando la libreria liboqs e confrontare queste prestazioni con quelle degli algoritmi tradizionali implementati utilizzando la libreria OpenSSL presentando un'analisi comparativa di queste soluzioni e proponendo le proprie applicazioni in alcuni scenari reali. Nello specifico, abbiamo sviluppato applicazioni e misurato tempo/prestazioni per i processi di incapsulamento, decapsulamento, crittografia, decrittografia, creazione di firme e convalida delle chiavi. La nostra metodologia prevedeva l'implementazione di vari algoritmi crittografici, sia resistenti che non resistenti ai quanti, in entrambe le librerie e la registrazione del tempo impiegato per completare ciascuna operazione crittografica. I risultati hanno rivelato differenze significative nei tempi di esecuzione tra gli algoritmi testati. Questi risultati evidenziano i compromessi tra efficienza computazionale e sicurezza forniti da ciascun approccio. Lo studio conclude che, sebbene sia liboqs che OpenSSL offrano soluzioni praticabili di sicurezza quantistica, la scelta di un algoritmo dovrebbe essere guidata da requisiti applicativi specifici, dando priorità alla velocità o alla sicurezza. La ricerca futura dovrebbe concentrarsi su un’ulteriore ottimizzazione e test nel mondo reale di questi algoritmi per migliorarne l’applicabilità pratica.