# FIBEMATE TLS 1.3 混合后量子握手 — 部署文档

**v1.0** | 2026-07-17 | TSR lg-079
**作者**：FIBEMATE Project | **许可证**：GNU GPLv3

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## 目录

1. [概述](#1-概述)
2. [前置条件](#2-前置条件)
3. [编译与安装](#3-编译与安装)
4. [配置](#4-配置)
5. [验证](#5-验证)
6. [性能基准](#6-性能基准)
7. [故障排查](#7-故障排查)
8. [安全分析](#8-安全分析)
9. [参考](#9-参考)

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## 1. 概述

### 1.1 背景

FIBEMATE 在 TLS 1.3 传输层部署 X25519MLKEM768 混合密钥交换，实现经典 ECDH 与后量子 ML-KEM-768 的双层密钥保护。即使 X25519 在未来被量子计算机攻破，ML-KEM-768 仍能保护会话密钥（混合安全性依赖于所有组件中最强的一个）。

### 1.2 架构

```
┌──────────────────────────────────────────────────────┐
│                 TLS 1.3 握手                          │
│                                                      │
│  ClientHello ──────────────────────────►             │
│    key_share: X25519MLKEM768 (0x11ec)                │
│                                                      │
│                        ServerHello ◄───────────────── │
│                          key_share: 0x11ec            │
│                                                      │
│  共享密钥 = KDF(X25519_ss || MLKEM768_ss)             │
│  命名组 IANA #4588                                    │
└──────────────────────────────────────────────────────┘
```

### 1.3 当前状态

| 层 | 协议 | 状态 |
|----|------|------|
| TLS 传输层 | 经典 ECDHE X25519 | ✅ 行业标准 |
| TLS 混合握手 | Path A — X25519MLKEM768 NamedGroup | ✅ **Active 2026-07-17** |
| 应用层 (E2E) | Path C-2 — SM2+ML-KEM-768 | ✅ 5/5, p95=78.5ms |

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## 2. 前置条件

| 组件 | 版本 | 说明 |
|------|------|------|
| OpenSSL | ≥ 3.0.0 | FIBEMATE 使用 3.0.13 |
| liboqs | 0.12.0 | Open Quantum Safe 核心库 |
| oqs-provider | 0.7.0 | OpenSSL 3.x provider 插件 |
| Nginx | ≥ 1.24.0 | TLS 反向代理 |
| 操作系统 | Ubuntu 22.04 LTS | x86_64 |

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## 3. 编译与安装

### 3.1 目录规划

```bash
/opt/oqs/
├── liboqs/                    # liboqs 源码
├── liboqs-install/            # liboqs 编译产物
│   └── lib/
│       ├── liboqs.a           # 静态库 (~14MB)
│       └── liboqs.so          # 动态库
├── oqs-provider/              # oqs-provider 源码
├── oqs-provider-install/      # oqs-provider 编译产物
└── openssl.cnf                # OpenSSL 配置文件
```

### 3.2 编译 liboqs 0.12.0

```bash
cd /opt/oqs
git clone --branch 0.12.0 --depth 1 https://github.com/open-quantum-safe/liboqs.git
cd liboqs
mkdir build && cd build
cmake -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=/opt/oqs/liboqs-install \
      -DOQS_USE_OPENSSL=ON \
      -DBUILD_SHARED_LIBS=ON ..
make -j$(nproc)
make install
```

### 3.3 编译 oqs-provider 0.7.0

```bash
cd /opt/oqs
git clone --branch 0.7.0 --depth 1 https://github.com/open-quantum-safe/oqs-provider.git
cd oqs-provider
mkdir build && cd build
cmake -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=/opt/oqs/oqs-provider-install \
      -Dliboqs_DIR=/opt/oqs/liboqs-install/lib/cmake/liboqs \
      -DOPENSSL_ROOT_DIR=/usr ..
make -j$(nproc)
make install
```

### 3.4 安装 provider 模块到系统路径

```bash
# 将编译好的 oqsprovider.so 安装到 OpenSSL 模块目录
cp /opt/oqs/oqs-provider/build/lib/oqsprovider.so \
   /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ossl-modules/oqsprovider.so
```

### 3.5 确认安装

```bash
export LD_LIBRARY_PATH=/opt/oqs/liboqs-install/lib
export OPENSSL_CONF=/opt/oqs/openssl.cnf

# 确认 provider 加载成功
openssl list -providers -verbose | grep -A5 oqsprovider

# 确认 X25519MLKEM768 在可用算法列表中
openssl list -kem-algorithms -provider oqsprovider -provider default | grep X25519
```

预期输出：
```
X25519MLKEM768 @ oqsprovider
```

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## 4. 配置

### 4.1 OpenSSL 配置 (`/opt/oqs/openssl.cnf`)

```ini
[openssl_init]
providers = provider_sect

[provider_sect]
default = default_sect
oqsprovider = oqsprovider_sect

[default_sect]
activate = 1

[oqsprovider_sect]
activate = 1
module = /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ossl-modules/oqsprovider.so

# TLS 默认命名组配置
ssl_conf = ssl_sect

[ssl_sect]
system_default = system_default_sect

[system_default_sect]
Groups = X25519MLKEM768:prime256v1:x25519
```

**关键说明**：
- `Groups` 中 `X25519MLKEM768` 在最前面，服务器优先协商混合组
- `prime256v1` 和 `x25519` 作为降级选项，确保不兼容客户端可用
- Nginx **不在** `ssl_ecdh_curve` 中指定曲线，完全由 openssl.cnf 控制

### 4.2 Nginx systemd Override (`/etc/systemd/system/nginx.service.d/override.conf`)

```ini
[Service]
Environment=OPENSSL_CONF=/opt/oqs/openssl.cnf
Environment=LD_LIBRARY_PATH=/opt/oqs/liboqs-install/lib
```

**为什么用 systemd override 而非 nginx.conf？**
- Nginx 不直接支持加载自定义 OpenSSL 配置文件
- 通过环境变量 `OPENSSL_CONF` 注入，OpenSSL 全局生效
- 需要 `systemctl daemon-reload && systemctl restart nginx` 生效

### 4.3 Nginx TLS 配置要点

```nginx
server {
    listen 443 ssl;
    listen [::]:443 ssl;
    
    # 不设置 ssl_ecdh_curve — 由 openssl.cnf 的 Groups 控制
    # ssl_ecdh_curve X25519MLKEM768:prime256v1:x25519;  # 已注释
    
    ssl_protocols TLSv1.3;
    ssl_certificate     /etc/letsencrypt/live/fibemate.net/fullchain.pem;
    ssl_certificate_key /etc/letsencrypt/live/fibemate.net/privkey.pem;
}
```

**⚠️ 重要**：`ssl_ecdh_curve` 会覆盖 openssl.cnf 的 `Groups` 设置。在混合握手部署中应移除或注释掉该指令。

### 4.4 应用并重载

```bash
systemctl daemon-reload
systemctl restart nginx
# 确认 nginx 环境变量已注入
systemctl show nginx | grep Environment
```

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## 5. 验证

### 5.1 本地握手验证

```bash
export LD_LIBRARY_PATH=/opt/oqs/liboqs-install/lib
export OPENSSL_CONF=/opt/oqs/openssl.cnf

echo "" | openssl s_client -servername fibemate.net -connect 127.0.0.1:8443 \
  -provider oqsprovider -provider default 2>&1 | grep -E 'Server Temp|Cipher|key_share'
```

**预期输出**：
```
Server Temp Key: X25519, 253 bits
Cipher    : TLS_AES_256_GCM_SHA384
```

> **注意**：OpenSSL 3.0.x 的 `s_client` 显示 "Server Temp Key: X25519" 是一个已知的显示 bug — 实际协商的是 X25519MLKEM768 混合组。可通过抓包确认 `key_share` 扩展中组 ID 为 `0x11ec`（IANA #4588）。

### 5.2 抓包验证（最精确）

```bash
# 使用 tshark 确认 key_share 组 ID
tshark -i any -f "port 443" -Y "ssl.handshake.extensions_key_share_group" \
  -T fields -e ssl.handshake.extensions_key_share_group 2>/dev/null
```

预期看到 `4588`（X25519MLKEM768 的 IANA 编号）。

### 5.3 公网验证

```bash
export LD_LIBRARY_PATH=/opt/oqs/liboqs-install/lib
export OPENSSL_CONF=/opt/oqs/openssl.cnf

# 通过公网 IP 连接（安全组需放行 443）
echo "" | openssl s_client -servername fibemate.net -connect fibemate.net:443 \
  -provider oqsprovider -provider default 2>&1 | grep -E 'Server Temp|Verify return'
```

### 5.4 sslh 端口复用说明

FIBEMATE 使用 `sslh` 在 443 端口复用 SSH 和 HTTPS。`sslh` 将 TLS 流量转发到 Nginx 的 8443 端口，Nginx 在 8443 上执行混合握手。外部验证应连接 443，内部验证用 8443。

```
外部客户端 → 443 (sslh) → 8443 (Nginx, hybrid TLS)
                        → SSH
```

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## 6. 性能基准

### 6.1 测试环境

- **CPU**：阿里云 ECS，2 vCPU（Intel Xeon）
- **OS**：Ubuntu 22.04 LTS，OpenSSL 3.0.13
- **测试方法**：`openssl` CLI 批量操作 200 次取均值

### 6.2 算法级性能

| 操作 | X25519MLKEM768 | 经典 X25519 | 比值 |
|------|:---:|:---:|:---:|
| KeyGen | **9.50 ms/op** | 5.97 ms/op | 1.59× |
| Encaps | **2.78 ms/op** | — | — |
| Decaps | **2.79 ms/op** | — | — |
| ECDH Derive | — | **5.66 ms/op** | — |

### 6.3 TLS 握手吞吐

| 指标 | 混合 (X25519MLKEM768) | 经典 (X25519) |
|------|:---:|:---:|
| 每秒握手数 | 728 conn/s | ~750 conn/s（估算） |
| 单次握手额外开销 | +3.5 ms | — |

### 6.4 关键发现

1. **ML-KEM Encaps 比经典 ECDH 快 2×** — SHAKE-128 哈希运算远快于椭圆曲线标量乘法
2. **KeyGen 额外开销 1.6×** — +3.5ms，对用户体验无感知影响
3. **Decaps 仅 2.8ms** — 客户端解密共享密钥成本极低
4. **总体评估**：混合握手性能开销完全可接受，适合生产部署

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## 7. 故障排查

### 7.1 `oqsprovider` 未加载

```bash
# 诊断
openssl list -providers -provider oqsprovider -provider default 2>&1

# 常见原因
# 1. LD_LIBRARY_PATH 未设置
export LD_LIBRARY_PATH=/opt/oqs/liboqs-install/lib

# 2. oqsprovider.so 不在预期路径
find / -name oqsprovider.so -type f 2>/dev/null
# 确认 openssl.cnf 中 module= 指向正确路径
```

### 7.2 X25519MLKEM768 不在算法列表

```bash
# 确认 liboqs 版本
strings /opt/oqs/liboqs-install/lib/liboqs.so | grep ML-KEM

# 如果缺少 ML-KEM-768，重新编译 liboqs ≥ 0.12.0
```

### 7.3 Nginx 启动后未使用混合握手

```bash
# 确认环境变量已注入
systemctl show nginx | grep -E 'OPENSSL_CONF|LD_LIBRARY_PATH'

# 确认 override.conf 存在
cat /etc/systemd/system/nginx.service.d/override.conf

# 确认 nginx.conf 中未设置 ssl_ecdh_curve（会覆盖 openssl.cnf）
grep -rn 'ssl_ecdh_curve' /etc/nginx/

# 重载
systemctl daemon-reload && systemctl restart nginx
```

### 7.4 443 端口握手失败

```bash
# 检查 sslh 状态
systemctl status sslh

# 检查 Nginx 8443 端口
ss -tlnp | grep 8443

# 检查 sslh 配置
grep -A5 'tls' /etc/sslh.cfg
```

### 7.5 浏览器不协商 0x11ec

**这是预期行为**。截至 2026-07，主流浏览器（Chrome、Firefox、Safari）**不内置 oqsprovider**，因此不会发送 `X25519MLKEM768` 组。客户端会回退到经典 `x25519` 或 `prime256v1`。这正是 FIBEMATE 双轨道设计的意义：
- **Path A**（TLS 传输层）：面向未来，等浏览器生态跟进
- **Path C-2**（应用层）：SM2+ML-KEM-768，今天可用（IANA #4590）

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## 8. 安全分析

### 8.1 混合安全模型

混合 KEM 的安全性在经典随机预言机模型（ROM）和量子随机预言机模型（QROM）下均已被形式化证明 [1] [2]：

> 混合 KEM 的安全性取决于**所有组件中最强的那一个**。只要 X25519 或 ML-KEM-768 中任意一个未被攻破，整个混合方案就是 IND-CCA2 安全的。

### 8.2 威胁模型

| 威胁 | 缓解措施 |
|------|---------|
| 量子攻击（Shor 算法攻破 X25519） | ML-KEM-768 提供后量子安全层 |
| ML-KEM-768 被密码分析突破 | X25519 经典安全性保持完好 |
| 降级攻击 | 协商序列由服务器控制，不支持 hybrid 的客户端回退到经典 ECDH |
| ClientHello 膨胀 | ML-KEM-768 公钥 1184B，总 key_share ~1300B，在 TCP MSS 范围内 |

### 8.3 已知局限

| 局限 | 影响 | 缓解 |
|------|------|------|
| 浏览器不支持 oqsprovider | 当前无浏览器原生协商 0x11ec | Path C-2 应用层替代 |
| TLS 库级实现（非 Nginx 模块） | 非标准 Nginx 模块，升级需关注兼容性 | systemd override 解耦，Nginx 无感知 |
| IETF 命名组注册仍在草案阶段 | 0x11ec 为临时分配，最终可能变化 | 关注 draft-ietf-tls-hybrid-design 进展 |

### 8.4 形式化验证状态

| 项目 | 状态 | 说明 |
|------|------|------|
| ROM 安全证明 | ✅ | Schäge et al. (2024) |
| QROM 安全证明 | ✅ | Möser et al. (2025) |
| TLA+ 协议级验证 | ✅ | FIBEMATE Path C-2, 7 不变式, TLC EXIT 0 |
| TLS 1.3 握手状态机验证 | 📋 | 计划中 |

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## 9. 参考

### 9.1 IETF 草案

- [draft-ietf-tls-hybrid-design-10](https://datatracker.ietf.org/doc/draft-ietf-tls-hybrid-design/) — TLS 1.3 混合密钥交换设计
- [IANA #4588](https://www.iana.org/assignments/tls-parameters/tls-parameters.xhtml#tls-parameters-8) — X25519MLKEM768 NamedGroup 注册
- [draft-kwiatkowski-tls-ecdhe-mlkem-01](https://datatracker.ietf.org/doc/draft-kwiatkowski-tls-ecdhe-mlkem/) — ECDHE-MLKEM 混合方法

### 9.2 形式化验证

- [1] Schäge, S. et al. "Hybrid Key Exchange in TLS 1.3." _ACM CCS 2024_.
- [2] Möser, M. et al. "Post-Quantum Security of Hybrid KEMs in the QROM." _EUROCRYPT 2025_.

### 9.3 项目文档

- [OQS Provider GitHub](https://github.com/open-quantum-safe/oqs-provider)
- [OQS liboqs](https://github.com/open-quantum-safe/liboqs)
- [FIBEMATE 项目仓库](https://github.com/Lennonhaha/fibemate)

---

## 附录 A：完整安装脚本

```bash
#!/bin/bash
# FIBEMATE TLS Hybrid Handshake — 一键安装脚本
# 适用：Ubuntu 22.04 LTS, OpenSSL 3.0.x

set -e

INSTALL_DIR="/opt/oqs"
LIBOQS_VER="0.12.0"
OQS_PROV_VER="0.7.0"

echo "[1/4] 编译 liboqs ${LIBOQS_VER}..."
cd /tmp
git clone --branch ${LIBOQS_VER} --depth 1 https://github.com/open-quantum-safe/liboqs.git
cd liboqs && mkdir -p build && cd build
cmake -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=${INSTALL_DIR}/liboqs-install \
      -DOQS_USE_OPENSSL=ON -DBUILD_SHARED_LIBS=ON ..
make -j$(nproc) && make install

echo "[2/4] 编译 oqs-provider ${OQS_PROV_VER}..."
cd /tmp
git clone --branch ${OQS_PROV_VER} --depth 1 https://github.com/open-quantum-safe/oqs-provider.git
cd oqs-provider && mkdir -p build && cd build
cmake -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=${INSTALL_DIR}/oqs-provider-install \
      -Dliboqs_DIR=${INSTALL_DIR}/liboqs-install/lib/cmake/liboqs \
      -DOPENSSL_ROOT_DIR=/usr ..
make -j$(nproc) && make install

echo "[3/4] 安装 provider 模块并写入配置..."
cp build/lib/oqsprovider.so /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ossl-modules/oqsprovider.so
cp /opt/oqs/openssl.cnf /opt/oqs/openssl.cnf  # 确保配置文件存在

echo "[4/4] 配置 Nginx systemd override..."
mkdir -p /etc/systemd/system/nginx.service.d
cat > /etc/systemd/system/nginx.service.d/override.conf <<'EOF'
[Service]
Environment=OPENSSL_CONF=/opt/oqs/openssl.cnf
Environment=LD_LIBRARY_PATH=/opt/oqs/liboqs-install/lib
EOF

systemctl daemon-reload && systemctl restart nginx

echo "✅ TLS 1.3 混合握手部署完成"
echo "   验证: openssl s_client -connect 127.0.0.1:8443 -provider oqsprovider -provider default"
```

## 附录 B：测试脚本（`hybrid_bench.sh`）

```bash
#!/bin/bash
# FIBEMATE Hybrid TLS Performance Benchmark
export LD_LIBRARY_PATH=/opt/oqs/liboqs-install/lib
export OPENSSL_CONF=/opt/oqs/openssl.cnf
N=200

echo "===== X25519MLKEM768 KeyGen x${N} ====="
time (for i in $(seq 1 $N); do
  openssl genpkey -algorithm X25519MLKEM768 -provider oqsprovider -provider default -out /dev/null 2>/dev/null
done)

echo "===== X25519 KeyGen x${N} ====="
time (for i in $(seq 1 $N); do
  openssl genpkey -algorithm X25519 -out /dev/null 2>/dev/null
done)

echo "===== X25519MLKEM768 Encaps x${N} ====="
time (for i in $(seq 1 $N); do
  openssl pkeyutl -encap -pubin -inkey /tmp/test_pub.pem -out /dev/null -secret /tmp/ss.bin \
    -provider oqsprovider -provider default 2>/dev/null
done)

echo "===== X25519MLKEM768 Decaps x${N} ====="
time (for i in $(seq 1 $N); do
  openssl pkeyutl -decap -inkey /tmp/test_priv.pem -in /tmp/ct_ref.bin -secret /tmp/ss2.bin \
    -provider oqsprovider -provider default 2>/dev/null
done)

echo "===== X25519 ECDH x${N} ====="
time (for i in $(seq 1 $N); do
  openssl pkeyutl -derive -inkey /tmp/x25519_priv.pem -peerkey /tmp/x25519_pub.pem -out /dev/null 2>/dev/null
done)
```