8、JDK 24 新特性：量子抗性模块格密钥封装机制（JEP 496）后量子密码学

分类： JDK 24 新特性 2025-11-27 阅读量： 0

在金融、政府、医疗这些对安全要求极高的场景下，我们经常需要安全地交换密钥。以前用RSA、ECC这些传统算法，虽然能用，但在量子计算机面前就不行了。Shor算法能在多项式时间内破解RSA和ECC，等量子计算机普及了，这些算法就废了。

鹏磊我之前做金融系统的时候，就遇到过这种问题。系统要用密钥交换协议，以前用RSA，虽然现在还能用，但数据要存几十年，等量子计算机普及了，这些数据可能就被破解了。后来一查，发现需要迁移到后量子密码学算法，但Java里没有现成的API，得用第三方库，麻烦不说，还担心兼容性和安全性。

现在好了，JDK 24的JEP 496（量子抗性模块格密钥封装机制）终于把这个痛点给解决了。这个特性提供了ML-KEM（Module-Lattice Key Encapsulation Mechanism）算法，这是NIST后量子密码学标准化的算法之一，基于模块格（Module Lattice）问题，在量子计算机面前仍然安全。兄弟们别磨叽，咱这就开始整活，把这个特性给整明白。

什么是密钥封装机制

先说说啥是密钥封装机制（Key Encapsulation Mechanism，简称KEM）。密钥封装机制是一种密钥交换协议，和传统的密钥交换（比如RSA密钥交换）不一样，KEM不直接交换密钥，而是封装一个随机生成的密钥，然后发送给对方，对方用私钥解封装就能得到密钥。

KEM的工作流程是这样的：

  1. 密钥生成：接收方生成公钥-私钥对
  2. 封装：发送方用接收方的公钥封装一个随机生成的密钥，得到封装数据和共享密钥
  3. 解封装：接收方用私钥解封装，得到共享密钥

为啥要用KEM呢？因为KEM比传统的密钥交换更安全，特别是后量子密码学算法，很多都是基于KEM设计的。ML-KEM就是NIST标准化的后量子KEM算法之一。

JEP 496 的核心特性

JEP 496是JDK 24引入的一个特性，主要做了这么几件事：

  1. ML-KEM算法：提供了ML-KEM（Module-Lattice Key Encapsulation Mechanism）算法，这是NIST后量子密码学标准化的算法
  2. KEM API：提供了统一的KEM API，javax.crypto.KEM接口，可以封装和解封装密钥
  3. 密钥生成：支持生成ML-KEM密钥对，公钥和私钥
  4. 量子抗性：基于模块格问题，在量子计算机面前仍然安全
  5. 标准化：符合NIST后量子密码学标准，可以和其他系统互操作

这个特性是正式特性，不是预览或实验性的，可以直接用。ML-KEM是NIST后量子密码学标准化的算法，安全性有保障，可以放心用。

ML-KEM算法详解

ML-KEM（Module-Lattice Key Encapsulation Mechanism）是基于模块格（Module Lattice）问题的密钥封装机制。模块格问题是后量子密码学的基础，在量子计算机面前仍然困难，所以ML-KEM是量子抗性的。

ML-KEM的工作流程：

  1. 密钥生成：生成公钥-私钥对，公钥可以公开，私钥要保密
  2. 封装：用公钥封装一个随机生成的密钥，得到封装数据和共享密钥
  3. 解封装：用私钥解封装，得到共享密钥

ML-KEM的安全性基于模块格问题的困难性，这个问题在量子计算机面前仍然困难，所以ML-KEM是量子抗性的。

KEM API使用

JEP 496提供了统一的KEM API，主要在javax.crypto包里。核心类是KEM，还有Encapsulator和Decapsulator接口。咱一个个来看。

获取KEM实例

首先需要获取KEM实例，指定算法名称。

// 获取ML-KEM实例
KEM kem = KEM.getInstance("ML-KEM");

// 获取算法名称
String algorithm = kem.getAlgorithm();  // 返回 "ML-KEM"

生成密钥对

生成ML-KEM密钥对，公钥和私钥。

// 生成密钥对
KeyPairGenerator keyGen = KeyPairGenerator.getInstance("ML-KEM");
KeyPair keyPair = keyGen.generateKeyPair();

// 获取公钥和私钥
PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();

封装密钥

用公钥封装一个随机生成的密钥，得到封装数据和共享密钥。

// 创建封装器
KEM.Encapsulator encapsulator = kem.newEncapsulator(publicKey);

// 封装密钥
KEM.Encapsulated encapsulated = encapsulator.encapsulate();

// 获取共享密钥和封装数据
SecretKey sharedKey = encapsulated.key();  // 共享密钥
byte[] encapsulation = encapsulated.encapsulation();  // 封装数据
byte[] params = encapsulated.params();  // 参数（如果有）

解封装密钥

用私钥解封装，得到共享密钥。

// 创建解封装器
KEM.Decapsulator decapsulator = kem.newDecapsulator(privateKey);

// 解封装密钥
SecretKey sharedKey = decapsulator.decapsulate(encapsulation);

实际应用场景

ML-KEM适合哪些场景呢？鹏磊我觉得主要有这么几类：

1. 安全通信

安全通信中，ML-KEM用于密钥交换，建立安全连接。

// 安全通信示例
public class SecureCommunication {
    // 服务器端：生成密钥对
    public KeyPair generateKeyPair() throws Exception {
        KeyPairGenerator keyGen = KeyPairGenerator.getInstance("ML-KEM");
        return keyGen.generateKeyPair();
    }
    
    // 客户端：封装密钥
    public KEM.Encapsulated encapsulateKey(PublicKey serverPublicKey) throws Exception {
        KEM kem = KEM.getInstance("ML-KEM");
        KEM.Encapsulator encapsulator = kem.newEncapsulator(serverPublicKey);
        return encapsulator.encapsulate();
    }
    
    // 服务器端：解封装密钥
    public SecretKey decapsulateKey(PrivateKey serverPrivateKey, byte[] encapsulation) throws Exception {
        KEM kem = KEM.getInstance("ML-KEM");
        KEM.Decapsulator decapsulator = kem.newDecapsulator(serverPrivateKey);
        return decapsulator.decapsulate(encapsulation);
    }
    
    // 建立安全连接
    public void establishSecureConnection() throws Exception {
        // 服务器生成密钥对
        KeyPair serverKeyPair = generateKeyPair();
        PublicKey serverPublicKey = serverKeyPair.getPublic();
        PrivateKey serverPrivateKey = serverKeyPair.getPrivate();
        
        // 客户端封装密钥
        KEM.Encapsulated encapsulated = encapsulateKey(serverPublicKey);
        SecretKey clientSharedKey = encapsulated.key();
        byte[] encapsulation = encapsulated.encapsulation();
        
        // 服务器解封装密钥
        SecretKey serverSharedKey = decapsulateKey(serverPrivateKey, encapsulation);
        
        // 现在客户端和服务器都有共享密钥了
        // 可以用这个密钥加密通信数据
        System.out.println("共享密钥已建立");
    }
}

2. 数据加密

数据加密中，ML-KEM用于密钥交换，然后加密数据。

// 数据加密示例
public class DataEncryption {
    // 加密数据
    public EncryptedData encryptData(byte[] data, PublicKey recipientPublicKey) throws Exception {
        // 用ML-KEM封装密钥
        KEM kem = KEM.getInstance("ML-KEM");
        KEM.Encapsulator encapsulator = kem.newEncapsulator(recipientPublicKey);
        KEM.Encapsulated encapsulated = encapsulator.encapsulate();
        
        // 获取共享密钥
        SecretKey sharedKey = encapsulated.key();
        
        // 用共享密钥加密数据
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, sharedKey);
        byte[] encrypted = cipher.doFinal(data);
        
        // 返回封装数据和加密数据
        return new EncryptedData(encapsulated.encapsulation(), encrypted);
    }
    
    // 解密数据
    public byte[] decryptData(EncryptedData encryptedData, PrivateKey recipientPrivateKey) throws Exception {
        // 用ML-KEM解封装密钥
        KEM kem = KEM.getInstance("ML-KEM");
        KEM.Decapsulator decapsulator = kem.newDecapsulator(recipientPrivateKey);
        SecretKey sharedKey = decapsulator.decapsulate(encryptedData.getEncapsulation());
        
        // 用共享密钥解密数据
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, sharedKey);
        return cipher.doFinal(encryptedData.getEncryptedData());
    }
    
    // 加密数据封装类
    static class EncryptedData {
        private final byte[] encapsulation;
        private final byte[] encryptedData;
        
        public EncryptedData(byte[] encapsulation, byte[] encryptedData) {
            this.encapsulation = encapsulation;
            this.encryptedData = encryptedData;
        }
        
        public byte[] getEncapsulation() {
            return encapsulation;
        }
        
        public byte[] getEncryptedData() {
            return encryptedData;
        }
    }
}

3. 密钥管理

密钥管理中，ML-KEM用于安全地分发密钥。

// 密钥管理示例
public class KeyManagement {
    private final Map<String, KeyPair> keyPairs = new ConcurrentHashMap<>();
    
    // 注册用户，生成密钥对
    public void registerUser(String userId) throws Exception {
        KeyPairGenerator keyGen = KeyPairGenerator.getInstance("ML-KEM");
        KeyPair keyPair = keyGen.generateKeyPair();
        keyPairs.put(userId, keyPair);
    }
    
    // 为用户生成共享密钥
    public SharedKey generateSharedKey(String userId) throws Exception {
        KeyPair keyPair = keyPairs.get(userId);
        if (keyPair == null) {
            throw new IllegalArgumentException("用户不存在: " + userId);
        }
        
        // 用用户的公钥封装密钥
        KEM kem = KEM.getInstance("ML-KEM");
        KEM.Encapsulator encapsulator = kem.newEncapsulator(keyPair.getPublic());
        KEM.Encapsulated encapsulated = encapsulator.encapsulate();
        
        // 返回共享密钥和封装数据
        return new SharedKey(encapsulated.key(), encapsulated.encapsulation());
    }
    
    // 用户解封装共享密钥
    public SecretKey decapsulateSharedKey(String userId, byte[] encapsulation) throws Exception {
        KeyPair keyPair = keyPairs.get(userId);
        if (keyPair == null) {
            throw new IllegalArgumentException("用户不存在: " + userId);
        }
        
        // 用用户的私钥解封装
        KEM kem = KEM.getInstance("ML-KEM");
        KEM.Decapsulator decapsulator = kem.newDecapsulator(keyPair.getPrivate());
        return decapsulator.decapsulate(encapsulation);
    }
    
    // 共享密钥封装类
    static class SharedKey {
        private final SecretKey key;
        private final byte[] encapsulation;
        
        public SharedKey(SecretKey key, byte[] encapsulation) {
            this.key = key;
            this.encapsulation = encapsulation;
        }
        
        public SecretKey getKey() {
            return key;
        }
        
        public byte[] getEncapsulation() {
            return encapsulation;
        }
    }
}

后量子密码学

ML-KEM是后量子密码学（Post-Quantum Cryptography）的重要组成部分。后量子密码学是研究在量子计算机威胁下仍然安全的密码算法，虽然现在量子计算机还没普及，但威胁已经来了。

量子威胁

传统的加密算法，比如RSA、ECC，在量子计算机面前不堪一击。Shor算法能在多项式时间内破解RSA和ECC，等量子计算机普及了，这些算法就废了。所以需要迁移到后量子密码学算法。

ML-KEM的优势

ML-KEM基于模块格问题，这个问题在量子计算机面前仍然困难，所以ML-KEM是量子抗性的。而且ML-KEM是NIST标准化的算法，安全性有保障，可以放心用。

迁移建议

如果现在用的是RSA或ECC，建议逐步迁移到ML-KEM。可以先在测试环境验证，没问题了再上生产。或者先在新功能上用ML-KEM，老功能慢慢迁移。

最佳实践

用ML-KEM的时候，鹏磊我建议注意这么几点：

1. 密钥管理

密钥要安全存储，私钥要加密存储，不能泄露。公钥可以公开，但要验证完整性。

// 推荐：安全存储密钥
public class SecureKeyStorage {
    // 存储私钥（加密）
    public void storePrivateKey(PrivateKey privateKey, String password) throws Exception {
        // 用密码加密私钥
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");
        SecretKey key = deriveKeyFromPassword(password);
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
        byte[] encrypted = cipher.doFinal(privateKey.getEncoded());
        
        // 存储加密后的私钥
        Files.write(Paths.get("private.key"), encrypted);
    }
    
    // 加载私钥（解密）
    public PrivateKey loadPrivateKey(String password) throws Exception {
        // 读取加密的私钥
        byte[] encrypted = Files.readAllBytes(Paths.get("private.key"));
        
        // 用密码解密私钥
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");
        SecretKey key = deriveKeyFromPassword(password);
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
        byte[] decrypted = cipher.doFinal(encrypted);
        
        // 重建私钥
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("ML-KEM");
        PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(decrypted);
        return keyFactory.generatePrivate(keySpec);
    }
    
    private SecretKey deriveKeyFromPassword(String password) throws Exception {
        // 从密码派生密钥（简化示例）
        MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
        byte[] hash = digest.digest(password.getBytes());
        return new SecretKeySpec(hash, "AES");
    }
}

2. 错误处理

解封装可能失败，要正确处理异常。DecapsulateException表示解封装失败，可能是封装数据被篡改了。

// 推荐：正确处理异常
public SecretKey decapsulateSafely(PrivateKey privateKey, byte[] encapsulation) {
    try {
        KEM kem = KEM.getInstance("ML-KEM");
        KEM.Decapsulator decapsulator = kem.newDecapsulator(privateKey);
        return decapsulator.decapsulate(encapsulation);
    } catch (DecapsulateException e) {
        // 解封装失败，可能是封装数据被篡改了
        throw new SecurityException("密钥解封装失败，数据可能被篡改", e);
    } catch (Exception e) {
        // 其他异常
        throw new RuntimeException("密钥解封装失败", e);
    }
}

3. 性能优化

ML-KEM的性能比RSA好，但还是要优化。可以缓存密钥对，复用封装器和解封装器。

// 推荐：缓存密钥对
public class OptimizedKEM {
    private final KeyPair keyPair;
    private final KEM.Decapsulator decapsulator;
    
    public OptimizedKEM() throws Exception {
        // 生成密钥对（只生成一次）
        KeyPairGenerator keyGen = KeyPairGenerator.getInstance("ML-KEM");
        this.keyPair = keyGen.generateKeyPair();
        
        // 创建解封装器（只创建一次）
        KEM kem = KEM.getInstance("ML-KEM");
        this.decapsulator = kem.newDecapsulator(keyPair.getPrivate());
    }
    
    // 封装密钥（每次创建新的封装器）
    public KEM.Encapsulated encapsulate() throws Exception {
        KEM kem = KEM.getInstance("ML-KEM");
        KEM.Encapsulator encapsulator = kem.newEncapsulator(keyPair.getPublic());
        return encapsulator.encapsulate();
    }
    
    // 解封装密钥（复用解封装器）
    public SecretKey decapsulate(byte[] encapsulation) throws Exception {
        return decapsulator.decapsulate(encapsulation);
    }
}

4. 兼容性考虑

ML-KEM是后量子算法，可能和旧系统不兼容。可以先在测试环境验证，没问题了再上生产。或者提供降级方案，新系统用ML-KEM，旧系统还用RSA。

// 推荐：提供降级方案
public class CompatibleKeyExchange {
    // 优先使用ML-KEM
    public KeyExchangeResult exchangeKey(PublicKey publicKey) throws Exception {
        try {
            // 尝试使用ML-KEM
            KEM kem = KEM.getInstance("ML-KEM");
            KEM.Encapsulator encapsulator = kem.newEncapsulator(publicKey);
            KEM.Encapsulated encapsulated = encapsulator.encapsulate();
            return new KeyExchangeResult("ML-KEM", encapsulated.key(), encapsulated.encapsulation());
        } catch (Exception e) {
            // ML-KEM失败，降级到RSA
            return exchangeKeyWithRSA(publicKey);
        }
    }
    
    // 降级到RSA
    private KeyExchangeResult exchangeKeyWithRSA(PublicKey publicKey) throws Exception {
        // RSA密钥交换逻辑（简化示例）
        KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("AES");
        keyGen.init(256);
        SecretKey sharedKey = keyGen.generateKey();
        
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
        byte[] encrypted = cipher.doFinal(sharedKey.getEncoded());
        
        return new KeyExchangeResult("RSA", sharedKey, encrypted);
    }
    
    static class KeyExchangeResult {
        private final String algorithm;
        private final SecretKey sharedKey;
        private final byte[] encapsulation;
        
        public KeyExchangeResult(String algorithm, SecretKey sharedKey, byte[] encapsulation) {
            this.algorithm = algorithm;
            this.sharedKey = sharedKey;
            this.encapsulation = encapsulation;
        }
        
        public String getAlgorithm() {
            return algorithm;
        }
        
        public SecretKey getSharedKey() {
            return sharedKey;
        }
        
        public byte[] getEncapsulation() {
            return encapsulation;
        }
    }
}

常见问题

Q1: ML-KEM和RSA有什么区别？

ML-KEM是后量子算法，在量子计算机面前仍然安全。RSA是传统算法，在量子计算机面前不安全。ML-KEM基于模块格问题，RSA基于大整数分解问题。

Q2: ML-KEM的性能怎么样？

ML-KEM的性能比RSA好，特别是密钥生成和封装操作。解封装操作可能比RSA慢一点，但整体性能还是不错的。

Q3: ML-KEM可以和其他系统互操作吗？

可以。ML-KEM是NIST标准化的算法，可以和其他实现了ML-KEM的系统互操作。只要遵循标准，就可以互操作。

Q4: 什么时候应该迁移到ML-KEM？

建议现在就迁移，特别是那种数据要存几十年的场景。虽然现在量子计算机还没普及，但数据要存几十年，现在加密的数据，等量子计算机普及了可能就被破解了。

Q5: ML-KEM的安全性怎么样？

ML-KEM是NIST标准化的算法，安全性有保障。基于模块格问题，这个问题在量子计算机面前仍然困难，所以ML-KEM是量子抗性的。

总结

量子抗性模块格密钥封装机制（JEP 496）是JDK 24引入的一个特性，提供了ML-KEM算法，这是NIST后量子密码学标准化的算法之一，基于模块格问题，在量子计算机面前仍然安全。

特别适合安全通信、数据加密、密钥管理等场景，特别是那种对安全要求极高的场景，比如金融、政府、医疗。

使用要注意密钥管理、错误处理、性能优化、兼容性考虑。虽然ML-KEM是后量子算法，但还是要正确使用，才能保证安全性。

虽然现在量子计算机还没普及，但威胁已经来了。数据要存几十年，现在加密的数据，等量子计算机普及了可能就被破解了，得提前准备。ML-KEM是NIST标准化的算法，安全性有保障，可以放心用。兄弟们可以试试，特别是那种对安全要求极高的场景，效果更明显。量子安全是个长期工作，能提前准备就提前准备，等量子计算机普及了再准备就晚了。

本文章最后更新于 2025-11-27