測試後量子密碼學實現：開發人員指南

# PQC 測試的requirements.txt pytest>=7.0.0 pytest-xdist>=3.0.0 # 平行測試執行 pytest-cov>=4.0.0 # 覆蓋率報告 假設>=6.0.0 # 基於屬性的測試 liboqs-python>=0.9.0 # PQC 演算法 pycryptodome>=3.19.0 # 額外的加密實用程式

# conftest.py - Pytest 配置 進口 Python測試 進口 奧克斯 @pytest.fixture 定義 kyber_kem(): """提供 Kyber-768 KEM 實例的夾具""" 返回 oqs.KeyEncapsulation(“凱伯768”) @pytest.fixture 定義 sphincs_sig(): """提供SPHINCS+-SHAKE-128s簽章實例的夾具""" 返回 oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-簡單”) @pytest.fixture 定義 kyber_keypair（kyber_kem）： """用於測試的預先產生 Kyber 金鑰對""" pk = kyber_kem.generate_keypair() sk = kyber_kem.export_secret_key() 返回 PK、SK @pytest.fixture 定義 sphincs_金鑰對（sphincs_sig）： """用於測試的預先產生 SPHINCS+ 金鑰對""" pk = sphincs_sig.generate_keypair() sk = sphincs_sig.export_secret_key() 返回 PK、SK

# test_kats.py - 已知答案測試 進口 Python測試 進口 json 從 路徑庫 進口 小路 班級 測試KyberKAT: """ Kyber-768 的已知答案測試 NIST ML-KEM 規格中的測試向量 """ @pytest.fixture 定義 卡特向量（自己）： """載入官方 KAT 向量""" kat_path = 路徑(__file__).parent / “向量” / “kyber768_kat.json” 和 開啟（kat_path） as f: 返回 json.load(f) 定義 測試封裝卡特（自我，kat_vectors，kyber_kem）： """驗證封裝產生預期的密文""" 為了 向量 in 凱特向量[“封裝”]: pk = bytes.fromhex(向量[“公鑰”]) Expected_ct = bytes.fromhex(向量[“密文”]) Expected_ss = bytes.fromhex(向量[“共享秘密”]) 種子 = bytes.fromhex(向量[“種子”]) # 注意：確定性封裝需要修改庫 # 這測試了參考實作模式 ct, ss = kyber_kem.encap_secret(pk) # 驗證密文長度 斷言 len(ct) == len(expected_ct), “密文長度不符” # 驗證共用金鑰長度 斷言 len(ss) == len(expected_ss), “共享秘密長度不符” 定義 test_decapsulation_kat（自我，kat_vectors，kyber_kem）： """驗證解封裝恢復預期的共享秘密"""" 為了 向量 in 凱特向量[“解封”]: sk = bytes.fromhex(向量[“秘密密鑰”]) ct = bytes.fromhex(向量[“密文”]) Expected_ss = bytes.fromhex(向量[“共享秘密”]) kem = oqs.KeyEncapsulation(“凱伯768”, sk) ss = kem.decap_secret(ct) 斷言 ss ==預期_ss， “共享秘密不符” 班級 測試SPHINCSPlusKAT: """SPHINCS+-SHAKE-128s 的已知答案測驗""" @pytest.fixture 定義 卡特向量(self): kat_path = Path(__file__).parent / “向量” / “sphincs128s_kat.json” 和 開啟（kat_path） as f: 返回 json.load(f) 定義 測試簽名驗證卡特（自我，kat_向量）： """驗證已知簽章是否已正確驗證""" 為了 向量 in 凱特向量[“確認”]: pk = bytes.fromhex(向量[“公鑰”]) 訊息 = bytes.fromhex(向量["訊息"]) 簽章 = bytes.fromhex(向量[“簽名”]) sig = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-簡單”) is_valid = sig.verify(訊息, 簽章, pk) 斷言 有效，f“KAT簽名驗證失敗”

# test_roundtrip.py 進口 Python測試 進口 秘密 班級 測試KyberRoundTrip: """Kyber KEM 的往返測試""" 定義 test_basic_kem_cycle（自我，kyber_kem，kyber_keypair）： """基本封裝→解封裝循環""" pk, sk = kyber_keypair # 封裝 密文，shared_secret_enc = kyber_kem.encap_secret(pk) # 解封裝 kem_with_sk = oqs.KeyEncapsulation(“凱伯768”, sk)shared_secret_dec = kem_with_sk.decap_secret(密文) 斷言 共享秘密_enc == 共享秘密_dec @pytest.mark.parametrize(“迭代”, [100, 1000]) 定義 test_repeated_kem_cycles（自我、kyber_kem、kyber_keypair、迭代）： """驗證 KEM 在多次迭代中一致工作""" pk, sk = kyber_keypair kem_with_sk = oqs.KeyEncapsulation(“凱伯768”, sk） 為了 _ in 範圍（迭代）：ct，ss_enc = kyber_kem.encap_secret（pk） ss_dec = kem_with_sk.decap_secret（ct） 斷言 ss_enc == ss_dec 定義 test_不同_金鑰對_產生_不同_結果（自我，kyber_kem）： """驗證不同的金鑰產生不同的共用秘密""" # 產生兩個不同的金鑰對 pk1 = kyber_kem.generate_keypair() sk1 = kyber_kem.export_secret_key() kem2 = oqs.KeyEncapsulation(“凱伯768”) pk2 = kem2.generate_keypair() # 封裝到每一個 ct1, ss1 = kyber_kem.encap_secret(pk1) ct2, ss2 = kyber_kem.encap_secret(pk2) # 共享秘密應該不同 斷言 SS1！ =SS2 班級 測試SPHINCSRoundTrip: """SPHINCS+ 簽名的往返測試""" 定義 測試基本簽章驗證（自我，sphincs_sig，sphincs_keypair）： """基本標誌→驗證週期""" pk, sk = sphincs_keypair 訊息 = b“SPHINCS+ 簽名的測試訊息” ＃ 符號 sig_with_sk = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-簡單”, sk) 簽章 = sig_with_sk.sign(訊息) ＃ 核實 is_valid = sphincs_sig.verify(訊息, 簽章, pk) 斷言 有效 @pytest.mark.parametrize(“訊息大小”, [0, 1, 100, 1000, 10000, 100000]) 定義 測試各種訊息大小（自身、sphincs_sig、sphincs_keypair、訊息大小）： """驗證各種訊息大小的簽名是否有效""" pk, sk = sphincs_keypair message = Secrets.token_bytes(message_size) sig_with_sk = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-簡單”, sk) 簽章 = sig_with_sk.sign(訊息) 斷言 sphincs_sig.verify（訊息，簽名，pk） 定義 測試簽名決定論（自我，sphincs_keypair）： """ 注意：SPHINCS+ 預設是隨機的 相同的訊息產生不同的簽名（均有效） """ pk, sk = sphincs_keypair 訊息 = b“測試訊息” sig1 = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-簡單”, sk) sig2 = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-簡單”, sk) 簽章1 = sig1.sign(訊息) 簽章2 = sig2.sign(訊息) # 簽名不同但都經過驗證 斷言 簽名1!=簽名2 # 隨機化 驗證者 = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-簡單”) 斷言 verifier.verify(訊息, 簽名1, pk) 斷言 verifier.verify(訊息, 簽名2, pk)

# test_edge_cases.py 進口 Python測試 班級 測試KyberEdgeCases: """Kyber 的邊緣狀況與錯誤條件""" 定義 test_invalid_public_key_length（自我，kyber_kem）： """拒絕格式錯誤的公鑰""" 和 pytest.raises（異常）：kyber_kem.encap_secret（b“過短”) 定義 test_invalid_ciphertext_length（自我，kyber_keypair）： """拒絕格式錯誤的密文""" pk, sk = kyber_keypair kem = oqs.KeyEncapsulation(“凱伯768”, sk） 和 pytest.raises（異常）：kem.decap_secret（b“無效的密文”) 定義 test_wrong_secret_key_fails_decap（自我，kyber_kem，kyber_keypair）： """使用錯誤金鑰解封裝會產生不同的共用秘密"""" pk, sk = kyber_keypair # 封裝為pk ct, ss_original = kyber_kem.encap_secret(pk) # 產生不同的金鑰對 kem2 = oqs.KeyEncapsulation(“凱伯768”) kem2.generate_keypair() sk2 = kem2.export_secret_key() # 使用錯誤的密鑰解封裝 kem_wrong = oqs.KeyEncapsulation(“凱伯768”, sk2) ss_wrong = kem_wrong.decap_secret(ct) # 共享秘密應該不同（IND-CCA 安全性） 斷言 ss_原始！ = ss_錯誤 班級 測試SPHINCSEdgeCases: """SPHINCS+ 的邊緣狀況""" 定義 測試_空_訊息（自我，sphincs_sig，sphincs_keypair）： """簽署空訊息應該有效""" pk, sk = sphincs_keypair 訊息 = b"" sig_with_sk = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-簡單”, sk) 簽章 = sig_with_sk.sign(訊息) 斷言 sphincs_sig.verify（訊息，簽名，pk） 定義 測試修改訊息失敗（自我，sphincs_sig，sphincs_keypair）： """如果訊息被修改則驗證失敗""" pk, sk = sphincs_keypair 訊息 = b“原始訊息” sig_with_sk = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-簡單”, sk) 簽章 = sig_with_sk.sign(訊息) # 修改訊息 修改=b“已修改訊息” 斷言不 sphincs_sig.verify（修改，簽名，pk） 定義 測試修改簽名失敗（自我，sphincs_sig，sphincs_keypair）： """如果簽章被修改則驗證失敗""" pk, sk = sphincs_keypair 訊息 = b“測試訊息” sig_with_sk = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-簡單”, sk) 簽章 = sig_with_sk.sign(訊息) # 在簽名中翻轉一點 modified_sig = bytearray(簽名)modified_sig[100] ^= 0x01modified_sig = 位元組(modified_sig) 斷言不 sphincs_sig.verify（訊息，modified_sig，pk） 定義 測試錯誤公共密鑰失敗（自我，sphincs_sig，sphincs_keypair）： """使用不同的公鑰驗證失敗""" pk1, sk1 = sphincs_keypair # 產生第二個金鑰對 sig2 = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-簡單”) pk2 = sig2.generate_keypair() 訊息 = b“測試訊息” # 用sk1簽名 sig_with_sk = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-簡單”, sk1) 簽章 = sig_with_sk.sign(訊息) # 使用 pk2 驗證應該會失敗 斷言不 sphincs_sig.verify（訊息，簽名，pk2）

# 測試屬性.py 從 假設 進口 給定，策略 as 聖，設定 進口 奧克斯 班級 測試KyberProperties: """Kyber 基於屬性的測試""" @給定(st.binary(min_size=0, max_size=10000)) @設定（最大範例=100，截止日期=無） 定義 test_encap_decap_roundtrip_any_key（自身，隨機資料）： """ 屬性：對於任何金鑰對，encap 後面接著 decap 總是會產生匹配的共用金鑰 """ kem = oqs.KeyEncapsulation(“凱伯768”) pk = kem.generate_keypair() sk = kem.export_secret_key() ct, ss_enc = kem.encap_secret(pk) kem_dec = oqs.KeyEncapsulation(“凱伯768”, sk) ss_dec = kem_dec.decap_secret(ct) 斷言 ss_enc == ss_dec @給定(st.binary(min_size=1, max_size=1088)) @設定（最大範例=100，截止日期=無） 定義 test_malformed_ciphertext_handled（自我，垃圾）： """ 屬性：格式錯誤的密文不會崩潰，要麼引發異常，要麼傳回無效的秘密 """ kem = oqs.KeyEncapsulation(“凱伯768”) kem.generate_keypair() sk = kem.export_secret_key() kem_dec = oqs.KeyEncapsulation(“凱伯768”, sk） 嘗試: # 應該提出或回傳（隱含拒絕） 結果= kem_dec.decap_secret（垃圾） # 如果它返回，那就沒問題（隱式拒絕） 斷言 長度（結果）== 32 # 仍然回傳 32 位元組秘密 除了 例外： # 加註也是可以接受的 經過 班級 測試SPHINCS屬性: """SPHINCS+ 基於屬性的測試""" @給定(st.binary(min_size=0, max_size=50000)) @設定（最大範例=50，截止日期=無） # 由於簽名速度較慢而減少 定義 test_sign_verify_any_message（自我，訊息）： """ 屬性：任何訊息都可以簽署和驗證""" sig = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-簡單”) pk = sig.generate_keypair() sk = sig.export_secret_key() 簽署者 = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-簡單”, sk) 簽名 = 簽署者.sign(訊息) 斷言 sig.verify(訊息、簽名、pk) @給定( st.binary(min_size=1, max_size=1000), st.integers(min_value=0, max_value=7855) ) @設定（最大範例=50，截止日期=無） 定義 test_bit_flip_breaks_signature（自我，訊息，翻轉位置）： """ 屬性：翻轉簽名中的任何位元都會導致失敗""" sig = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-簡單”) pk = sig.generate_keypair() sk = sig.export_secret_key() 簽署者 = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-簡單”, sk) 簽名 = 簽署者.sign(訊息) # 在位置翻轉位 修改 = bytearray(簽名) byte_pos = Flip_position % len(修改) bit_pos = Flip_position % 8 修改[byte_pos] ^= (1 << bit_pos) modified = bytes(modified) # 驗證失敗 斷言不 sig.verify（訊息，修改，pk）

# test_synx_wallet.py 進口 Python測試 從 同步錢包 進口 SynXHDWallet、交易產生器 班級 TestSynXWallet集成: """SynX抗量子錢包整合測試""" @pytest.fixture 定義 測試錢包（自己）： """使用已知助記詞創建測試錢包""" 助記符= “放棄 ” * 23 + “藝術” 返回 SynXHDWallet(助記詞,密碼=“測試”) 定義 測試地址推導確定性（自我，測試錢包）： """相同的路徑總是產生相同的位址""" addr1 = test_wallet.derive_address(0, 0, 0) addr2 = test_wallet.derive_address(0, 0, 0) 斷言 地址1.地址==地址2.地址 斷言 addr1.kyber_public == addr2.kyber_public 斷言 addr1.sphincs_public == addr2.sphincs_public 定義 測試不同路徑不同位址（自我，測試錢包）： """不同的路徑產生不同的位址""" addr1 = test_wallet.derive_address(0, 0, 0) addr2 = test_wallet.derive_address(0, 0, 1) addr3 = test_wallet.derive_address(0, 1, 0) addr4 = test_wall_wallet.derive_address(0, 1, 0) addr4 = test_wall_wallet.derive_address(0, 1, 0) addr4 = test_wallet.derive_ addr2.address, addr3.address, addr4.address} 斷言 len(地址) == 4 定義 測試交易簽名（自我，測試錢包）： """簽名交易驗證正確""" 寄件者 = test_wallet.derive_address(0, 0, 0) 收件者 = test_wallet.derive_address(0, 0, 1) # 建置並簽署交易 builder = TransactionBuilder(test_wallet) tx = builder.add_output(recipient.address, 100000000,recipient.kyber_public ).build() # 驗證簽名 sig = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-簡單”) 為了 因普 in tx.inputs: is_valid = sig.verify( tx.serialize_for_signing(), inp.sphincs_signature, inp.sphincs_public_key ) 斷言 有效

# 測試效能.py 進口 Python測試 進口 時間 進口 統計數據 班級 測試性能基準: """回歸偵測的效能基準""" # 預期效能基線（根據硬體調整） KYBER_KEYGEN_MAX_MS = 10 KYBER_ENCAP_MAX_MS = 5 KYBER_DECAP_MAX_MS = 5 SPHINCS_KEYGEN_MAX_MS = 100 SPHINCS_SIGN_MAX_MS = 500 SPHINCS_VERIFY_MAX_MS = 50 定義 _基準（自我，功能，迭代= 100）： """多次執行函數並傳回統計資料""" 次數 = [] 為了 _ in 範圍（迭代）：開始 = time.perf_counter() func() 經過 = (time.perf_counter() - 開始) * 1000 ＃ 多發性硬化症 times.append(已過去) 返回 { “意思是”: 統計.平均值(次), “中位數”: 統計.中位數(次), “標準開發”: 統計.stdev(次) if 長度（次）> 1 別的 0, “分鐘”：分鐘（次）， “最大限度”: 最大(次) } 定義 test_kyber_keygen_performance（自己）： """在預期時間內產生 Kyber 金鑰""" 定義 註冊機(): kem = oqs.KeyEncapsulation(“凱伯768”) kem.generate_keypair() stats = self._benchmark(keygen) print(f“\nKyber 註冊機：{stats['mean']:.2f}ms (±{stats['stdev']:.2f})”) 斷言 統計數據[“意思是”] < self.KYBER_KEYGEN_MAX_MS 定義 test_sphincs_sign_performance（自己）： """SPHINCS+ 在預期時間內簽約""" sig = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-簡單”) sig.generate_keypair() sk = sig.export_secret_key() message = b"x" * 256 定義 符號(): 簽署者 = oqs.Signature(“SPHINCS+-SHAKE-128s-簡單”, sk) signer.sign(message) stats = self._benchmark(sign, iterations=20) # 由於速度較慢而減少 列印（f"\nSPHINCS+ 符號：{stats['mean']:.2f}ms (±{stats['stdev']:.2f})") 斷言 統計數據[“意思是”] < self.SPHINCS_SIGN_MAX_MS

# 執行所有覆蓋率測試 pytest 測驗/ -v --cov=synx_wallet --cov-report=html # 僅執行 KAT 測試 pytest 測試/test_kats.py -v # 並行執行運行 pytest 測試/-n auto # 運行效能測試並輸出 pytest 測試/test_performance.py -v -s