QSP是一个基于格密码学的综合性安全系统，专注于提供抗量子计算攻击的加密通信、身份认证和资产保护功能。该系统利用格密码的抗量子特性，结合P2P网络、可靠UDP和Shamir秘密共享,项目由暨南大学杨昊文、熊逸航完成。
| 姓名/昵称 | GitHub ID | 贡献内容 | 联系方式 | 作者单位 |
|---|---|---|---|---|
| 熊逸航 | ARS4EVER | 代码编写、测试维护、漏洞修复 | [email protected] | 暨南大学网络空间安全学院 |
| 杨昊文 | amonadam | 项目架构、代码编写、测试维护 | [email protected] | 暨南大学网络空间安全学院 |
- 纯正抗量子基因 - 100% 遵守 NIST FIPS 203 (Kyber512) 和 FIPS 204 (Dilithium2) 标准
- 绝对安全握手 - 基于
Dilithium Sign(Kyber_Ciphertext)混合架构，完美抵御中间人攻击 (MITM) - 极简业务流 -
REQ-RESP单轮交互，配合 JSON 序列化和 AES-GCM，实现高吞吐量 - 无缝 Shamir 门限 - 数据容灾由业务层
Splitter/Reconstructor接管，密码层与业务层完全解耦 - 本地金库加密 - 基于 PBKDF2HMAC 和 AES-256-GCM 的透明加密，防范物理设备被攻破
- 邀请码瘦身 - 采用公钥指纹验证机制，大幅减少邀请码大小，提升传输效率
- NAT 穿透 - 支持 UDP 打洞和心跳保活，实现真正的去中心化 P2P 连接
- 可靠 UDP - 集成 SACK 和拥塞控制，提供接近 TCP 的可靠性和 UDP 的低延迟
QSP提供以下核心功能：
- ✅ 抗量子加密：使用 NIST 标准的 Kyber 和 Dilithium 算法
- ✅ P2P 网络通信：支持 NAT 穿透和 UDP 打洞
- ✅ Shamir 秘密共享：将文件分割成多份，需要指定数量的份额才能恢复
- ✅ 本地金库加密：使用 AES-256-GCM 保护本地数据
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│ 业务层 │
│ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ ┌────────────────┐ │
│ │ BackupManager│ │ RecoveryManager │ │ AppRouter │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ └──────────────┘ └──────────────┘ └────────────────┘ │
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│
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│ 应用层 │
│ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ ┌────────────────┐ │
│ │ AppMessage │ │ AppProtocol │ │ UIBridge │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ └──────────────┘ └──────────────┘ └────────────────┘ │
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│
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│ 安全通道 │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ SecureLink: SecureChannel + RUDP + Heartbeat │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────┘ │
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│
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│ 密码学层 │
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│ │ Lattice- │ │ KeyGen │ │ Dilithium- │ │Kyber- │ │
│ │ Wrapper │ │ │ │ Signer │ │KEM │ │
│ └────────────┘ └────────────┘ └────────────┘ └──────┘ │
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│
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│ 配置层 │
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│ │ config.py: SigParams, KEMParams, ThresholdParams │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────┘ │
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QSP1/
├── GUI/
│ └── main_window.py # 现代化 GUI 界面
├── data/
│ ├── keys/ # 身份密钥
│ │ └── node_identity.json
│ ├── shares/ # 资产份额和清单
│ │ ├── {哈希前8位}_manifest.json
│ │ └── {文件哈希}_share_X.dat
│ └── restored/ # 恢复的资产
│ └── recovered_{文件名}
├── src/
│ ├── app/ # 应用层 (Phase 10)
│ │ ├── app_protocol.py # 应用层消息协议
│ │ ├── app_router.py # 应用层消息路由
│ │ ├── backup_manager.py # 资产备份管理器
│ │ ├── recovery_manager.py # 资产恢复管理器
│ │ ├── ui_bridge.py # UI 桥接器
│ │ └── vault_crypto.py # 本地金库加密引擎
│ ├── crypto_lattice/ # 格密码模块 (Phase 1)
│ │ ├── wrapper.py # 统一适配器 (ML-DSA + ML-KEM)
│ │ ├── keygen.py # 密钥生成
│ │ ├── signer.py # 标准签名器 (DilithiumSigner)
│ │ └── encryptor.py # 密钥封装 (KyberKEM)
│ ├── network/ # 网络通信模块 (Phase 2)
│ │ ├── secure_channel.py # 安全通道
│ │ ├── secure_link.py # 安全链接 (含心跳)
│ │ ├── p2p_manager.py # P2P 管理
│ │ ├── rudp.py # 可靠 UDP
│ │ ├── protocol.py # 通信协议
│ │ └── congestion.py # 拥塞控制
│ ├── secret_sharing/ # 秘密共享模块
│ │ ├── splitter.py # Shamir 分割器
│ │ └── reconstructor.py # Shamir 重构器
│ ├── utils/ # 工具函数
│ └── config.py # 全局配置
├── tests/ # 测试代码目录
├── main.py # 主程序入口
├── requirements.txt # 依赖包列表
└── README.md # 本文档
现代化的业务逻辑实现：
-
vault_crypto.py - 本地金库加密引擎
VaultCrypto._derive_key()- 基于 PBKDF2HMAC 的密钥派生VaultCrypto.encrypt_chunk()/decrypt_chunk()- AES-256-GCM 块级加密/解密- 防范物理设备被攻破导致的数据泄露
-
backup_manager.py - 资产备份管理器
BackupManager.execute_backup()- 执行资产备份和网络分发BackupManager._save_share_locally()- 本地加密存储份额- 支持 P2P 网络传输和断点续传
-
recovery_manager.py - 资产恢复管理器
RecoveryManager.execute_recovery()- 执行资产恢复和网络寻呼RecoveryManager._try_reconstruct_streaming()- 流式重构资产- 支持网络乱序分块接收和断点续传
-
app_protocol.py - 应用层消息协议
AppMessage.pack()/unpack()- 消息序列化和反序列化- 支持 SHARE_PUSH、PULL_REQ、PULL_RESP 等消息类型
-
app_router.py - 应用层消息路由
AppRouter.register_handler()- 注册消息处理器AppRouter.dispatch_network_data()- 分发网络数据- 支持线程安全的 UI 更新
-
ui_bridge.py - UI 桥接器
UIBridge.run_in_main_thread()- 在主线程中运行 UI 更新UIBridge.safe_update_progress()- 安全更新进度条- 解决多线程 UI 更新问题
基于 NIST 标准的后量子密码学实现：
-
wrapper.py - 统一适配器
LatticeWrapper.generate_signing_keypair()- 生成 Dilithium 签名密钥对LatticeWrapper.sign_message()/verify_signature()- 标准签名/验签LatticeWrapper.kem_keygen()/encapsulate()/decapsulate()- Kyber512 密钥交换
-
keygen.py - 密钥生成工具
KeyGen.generate_keys()- 生成密钥对KeyGen.save_keys()/load_keys()- 密钥持久化
-
signer.py - 标准签名器
DilithiumSigner.sign()- 使用私钥签名DilithiumSigner.verify()- 使用公钥验签
-
encryptor.py - 密钥封装
KyberKEM.generate_keypair()- 生成 KEM 密钥对KyberKEM.encapsulate()/decapsulate()- 密钥封装/解封装
端到端加密通信：
-
secure_link.py - 安全链接
- 集成 SecureChannel、RUDP 和心跳保活
- 支持多路复用和 NAT 穿透
- 采用公钥指纹验证机制，提升安全性和效率
-
secure_channel.py - 安全通道
- 集成 Kyber512 密钥交换
- 集成 Dilithium2 身份认证
- 使用 AES-256-GCM 加密业务数据
- 支持中间人攻击拦截
-
p2p_manager.py - P2P 节点管理
P2PNode.connect_via_invite()- 通过邀请码连接P2PNode.generate_invite_code()- 生成轻量化邀请码- 支持 UDP 打洞和 NAT 穿透
-
rudp.py - 可靠 UDP 传输
RUDPConnection.receive_data()- 接收数据并生成 SACKRUDPConnection.handle_sack()- 处理 SACK 并触发重传- 支持乱序到达和快速重传
-
protocol.py - 二进制通信协议
QSPProtocol.pack()/unpack()- 数据包封装和解析- 支持 KEEPALIVE、HOLEPUNCH 等消息类型
-
congestion.py - 延迟梯度拥塞控制
HybridCongestionControl.on_ack()- 处理 ACK 并调整拥塞窗口- 基于延迟梯度和丢包率的混合拥塞控制
基于 Shamir's Secret Sharing 的门限容灾：
-
splitter.py - 秘密分割
SecretSplitter.split_secret()- 将秘密分割为 n 个份额- 支持 GF(256) 查表加速
-
reconstructor.py - 秘密重构
SecretReconstructor.reconstruct()- 使用 t 个份额重构秘密- 支持流式重构和大文件处理
pip install -r requirements.txt# 运行所有核心测试
python -m unittest discover tests -v
# 运行特定模块测试
python -m unittest tests.test_wrapper tests.test_keygen_phase2 tests.test_signer_phase2 tests.test_secure_channel_phase2 tests.test_vault_encryption_phase10 tests.test_holepunch_phase5 tests.test_large_file_streaming tests.test_integration_final -vpython main.py| 测试模块 | 测试内容 |
|---|---|
| test_wrapper.py | ML-DSA 签名/验签、ML-KEM 封装/解封装 |
| test_keygen_phase2.py | 标准密钥生成与存储 |
| test_signer_phase2.py | 标准 Dilithium 签名器 |
| test_encryptor_phase2.py | Kyber KEM 密钥交换 |
| test_config_phase2.py | 配置参数验证 |
| test_secure_channel_phase2.py | 安全通道握手、AES-GCM 加密 |
| test_holepunch_phase5.py | NAT 穿透和 UDP 打洞 |
| test_p2p_multiplexing.py | P2P 多路复用 |
| test_rudp_sack.py | 可靠 UDP 和 SACK 机制 |
| test_congestion_phase4.py | 延迟梯度拥塞控制 |
| test_secure_link_phase6.py | 安全链接和心跳保活 |
| test_keepalive_phase8.py | NAT 保活机制 |
| test_vault_encryption_phase10.py | 本地金库加密和防篡改 |
| test_large_file_streaming.py | 大文件流式切分和重构 |
| test_recovery_streaming_phase7.py | 网络乱序分块接收和断点续传 |
| test_app_protocol.py | 应用层消息协议 |
| test_app_router.py | 应用层消息路由 |
| test_integration_final.py | 端到端集成测试 |
所有测试全部通过 ✅
-
抗量子安全
- NIST FIPS 203 ML-KEM-512 (Kyber512)
- NIST FIPS 204 ML-DSA-44 (Dilithium2)
-
身份认证
- Dilithium 标准签名
- 公钥指纹验证
- 中间人攻击拦截
-
数据加密
- AES-256-GCM
- 前向安全性
- 本地金库加密
-
门限容灾
- Shamir Secret Sharing
- (t, n) 门限方案
- 流式重构
-
网络安全
- UDP 打洞和 NAT 穿透
- 可靠 UDP 与 SACK
- 延迟梯度拥塞控制
- 心跳保活机制
- Python 3.9+
- dilithium-py
- kyber-py
- cryptography
- numpy
- customtkinter
- pillow
- 操作系统：Windows / macOS / Linux
- Python 版本：3.9 或更高
- 网络：需要互联网连接（用于 P2P 通信）
打开终端/命令提示符，运行：
python --version确保显示 Python 3.9+。
在项目目录下运行：
pip install -r requirements.txt如果遇到 pip 启动器错误（如 "Fatal error in launcher"），使用：
python -m pip install -r requirements.txt运行主程序：
python main.py启动后，会弹出一个对话框，要求输入本地金库主密码：
- 这个密码用于加密本地存储的敏感数据
- 请牢记此密码！（如果忘记，本地数据将无法恢复）
- 如果不输入，系统会使用默认密码（不推荐）
- 启动应用后，默认显示"身份与网络"标签页
- 顶部会显示你的本机专属邀请码
- 点击"复制邀请码"按钮，将邀请码复制到剪贴板
- 将此邀请码发送给其他需要连接的节点
邀请码的作用：
- 包含你的公钥指纹和网络坐标
- 其他节点通过此邀请码可以安全地连接到你
- 获取其他节点的邀请码
- 在"连接远端节点"输入框中粘贴邀请码
- 点击"发起UDP穿透与安全握手"按钮
- 等待连接建立（状态会显示"安全链接建立"）
连接过程：
- 系统会自动执行 UDP 打洞（NAT 穿透）
- 使用 Kyber 密钥交换建立加密通道
- 使用 Dilithium 签名进行身份认证
- 点击左侧边栏的"资产备份"标签
- 点击"选择待保护机密文件"按钮
- 在弹出的文件选择框中选择要保护的文件
- 设置参数：
- 总节点数 (N)：将文件分割成多少份（默认 5）
- 恢复门限 (T)：需要多少份才能恢复文件（默认 3）
⚠️ 注意：必须满足1 < T <= N
- 点击"执行核心资产分割与加密"按钮
- 等待进度条完成
- 系统会显示成功提示，包含元数据清单文件的保存位置
- 请妥善保管这个清单文件（
.json格式），恢复时需要用到 - 文件份额会通过 P2P 网络分发到已连接的节点
备份原理：
- 文件被加密（AES-256-GCM）
- 使用 Shamir 秘密共享算法分割成 N 份
- 份额加密存储并分发到网络
- 需要至少 T 份才能重构原文件
- 点击左侧边栏的"资产恢复"标签
- 点击"导入资产清单 (Manifest)"按钮
- 选择备份时生成的清单文件（
.json） - 点击"执行身份签名验证与资产重构"按钮
- 等待进度条完成
- 系统会向 P2P 网络广播拉取请求
- 收集足够的份额（>= T）
- 验证每个份额的身份签名
- 使用 Shamir 算法重构原始文件
- 恢复完成后会显示文件保存位置
A: 使用 python -m pip 代替 pip，例如：
python -m pip install -r requirements.txt如果想永久修复，可以重新安装 pip：
python -m pip install --upgrade --force-reinstall pipA: 很遗憾，本地金库密码无法找回。你需要：
- 删除
data/keys/目录下的密钥文件 - 删除
data/shares/目录下的份额文件 - 重新启动应用，设置新密码
⚠️ 注意：之前本地存储的数据将无法恢复
A: 请检查：
- 对方节点是否在线
- 邀请码是否正确（完整复制，不要有多余空格）
- 网络是否允许 UDP 通信（某些防火墙可能阻止）
- 双方是否都在同一版本的系统上
A: 可能原因：
- 存储份额的节点不在线
- 网络连接问题
- 检查清单文件是否正确
- 尝试等待更长时间，或联系更多节点上线
A: 系统支持任何类型的文件：
- 文档（.docx, .pdf, .txt 等）
- 图片（.jpg, .png, .gif 等）
- 视频和音频文件
- 压缩包（.zip, .rar 等）
- 任意二进制文件
文件大小建议：虽然系统支持大文件，但建议单个文件不超过 1GB 以获得最佳性能。
A: 系统通过多层加密保护：
- 传输层：Kyber 密钥交换 + AES-256-GCM 加密
- 身份认证：Dilithium 数字签名
- 存储层：本地金库 AES-256-GCM 加密
- 容灾层：Shamir 秘密共享，即使部分节点丢失也能恢复
A: 不建议。每个节点应该有独立的身份：
- 身份文件存储在
data/keys/node_identity.json - 如果需要在多台设备使用，可以复制此文件（但存在安全风险）
- 更好的方式是让每台设备生成独立身份，然后互相连接
如遇到其他问题，请检查：
- Python 版本是否符合要求
- 所有依赖是否正确安装
- 网络连接是否正常
- 防火墙设置是否允许 UDP 通信
如需调整高级参数，可编辑 src/config.py：
| 参数类 | 参数 | 说明 | 默认值 |
|---|---|---|---|
| ThresholdParams | n_participants | 默认总节点数 | 5 |
| ThresholdParams | t | 默认恢复门限 | 3 |
| NetworkParams | MTU | 网络最大传输单元 | 1400 |
| NetworkParams | HANDSHAKE_TIMEOUT | 握手超时（秒） | 5.0 |
| NetworkParams | RTO_INITIAL | 重传超时初始值（秒） | 0.2 |
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