6G專題|后量子密碼算法在6G網絡中的應用研究

編者按

從2019年實質性研究啟動，到2023年國際電信聯盟發布愿景文件，再到2025年6G標準元年確立，6G正從前沿理念加速照進現實。步入2026年，6G發展進一步邁入技術與標準完善的關鍵時期，盡管業界已就6G初步形成共識，但諸多基礎性、關鍵性難題仍亟待破解。為此，《通信世界》特策劃“6G關鍵技術深潛”專題，聚焦系統架構創新、技術路徑探索、融合能力提升等話題展開深度探討，以期為產業發展提供參考與啟示。

6G網絡作為新一代智能化綜合數字信息基礎設施，將采用廣域覆蓋的空天地網絡和分布式自治組網，網絡架構在深度IT化的基礎上更加開放、網元交互方式更加動態靈活、產品軟硬件解耦更加徹底，而網絡暴露面也會相應增加。

近年來，量子計算不斷發展，其強大的密碼破解能力給現有密碼技術帶來嚴峻挑戰。Shor算法于1994年提出，能將整數質因子分解問題轉化為求解量子傅里葉變換的周期，證明了量子計算機可以在多項式時間內解決大整數分解和離散對數求解等復雜數學問題，亦能對當前通信網絡中身份認證、數據加密等關鍵環節廣泛采用的公鑰密碼算法（如RSA、Diffie-Hellman、橢圓曲線加密等）進行快速破解，這對6G網絡安全通信和數據保護構成嚴重威脅。因此，6G網絡的密碼學體系需要采用抗量子攻擊的密碼算法以保證網絡的安全性。

本文概述了后量子密碼（PQC）算法的進展情況，重點分析了6G網絡中PQC算法的應用場景和應用方式，并對未來算法應用存在的算法優化、標準互通、性能評估等極具挑戰性的問題進行了討論。

01

后量子密碼算法進展

PQC算法的安全性主要建立在數學困難問題的計算復雜度基礎上。當前主流的數學困難問題可分為格理論、編碼理論、哈希函數及多變量多項式等。一是基于格理論的密碼方案，利用格上兩類經典NP難問題——最短向量問題（SVP）和最近向量問題（CVP）確保安全性，通過將密碼原語歸約至格問題的求解困難性實現安全保障，代表性算法包括Kyber和NTRU等。二是基于編碼理論的密碼系統，通過引入冗余糾錯碼構造安全屏障，其核心機制在于有意構造包含特定錯誤模式的碼字，使得攻擊者難以執行有效的錯誤校正或計算校驗矩陣的伴隨式，Classic McEliece即為此類方案的典型代表。三是基于哈希函數的密碼方案，依托密碼學哈希函數的抗碰撞特性設計數字簽名算法，能有效抵御量子計算攻擊，代表性算法是SPHINCS+。四是基于多變量多項式的密碼體制，以有限域上非線性方程組的NP難求解性為安全基礎，通常將一組二次多項式映射作為公鑰生成函數，通過求解該多項式組的困難性實現密鑰安全。此外，盡管基于橢圓曲線同源的密碼方案（如SIKE）已被證明存在安全性缺陷，但同源密碼在高效密鑰交換與加密場景中的應用價值，仍使其成為PQC領域的重要研究方向之一。

國際主要標準化組織和研究機構正積極推進PQC算法的研究和標準化工作。美國國家標準與技術研究院（NIST）于2016年啟動了PQC算法標準化進程，旨在征集、評估和標準化能夠抵抗量子計算機攻擊的新型密碼算法。2024年8月13日，NIST正式發布了全球首批3個PQC標準，分別是基于CRYSTALS-Kyber的FIPS 203、基于CRYSTALS-Dilithium的FIPS 204和基于SPHINCS+的FIPS 205。基于FALCON的數字簽名算法標準FN-DSA仍在研制中，預計2025年底發布。2025年3月，NIST發布第五個基于Hamming Quasi-Cyclic（HQC）的密鑰封裝算法標準，作為非格算法的補充，預計2027年完成。因特網工程任務組（IETF）通過兩條主線推進PQC算法工作，一方面加快算法與協議層適配，將NIST已發布的PQC算法集成至傳輸層安全協議（TLS）、互聯網絡層安全協議（IPsec）、安全外殼（SSH）協議、超文本傳輸安全協議（HTTPS）等核心網絡協議中，確保協議棧的量子安全兼容性；另一方面通過成立PQC實施與部署專項工作組（PQUIP），系統制定PQC技術落地應用的共識性文檔與最佳實踐指南，為產業界提供從算法選型、系統改造到遷移部署的全流程技術指導。我國的商用密碼標準研究院也于2025年2月5日開啟面向全球的新一代公鑰密碼算法、密碼雜湊算法、分組密碼算法的征集活動，要求能夠抵抗已知經典計算攻擊和量子計算攻擊，并將同步開展新一代商用密碼算法遷移研究和應用準備工作。

在6G網絡安全研究方面，產業界將PQC作為實現6G網絡安全的關鍵技術之一。美國Next G Alliance在其6G愿景中強調了網絡安全的重要性，并指出需要采用先進的PQC技術來保護未來的6G網絡。第三代合作伙伴計劃（3GPP）已在R19的協議版本中提出增強的256位對稱密碼算法，以抵御量子攻擊對128位對稱密碼算法的影響。全球移動通信系統協會（GSMA）發布的《后量子電信網絡影響評估白皮書1.0版》中，分析了電信網絡架構、網絡協議、業務流程和電信設備受到量子威脅的影響，并呼吁電信行業盡快制定基于PQC的指南和流程。中國IMT-2030（6G）推進組發布的《6G可信內生安全架構》中，也將PQC作為6G安全能力層的關鍵技術之一。

02

后量子密碼算法在6G網絡中的應用

應用場景

6G網絡應用密碼算法的場景主要分為以下三大類。一是通信設備（含終端）之間的認證與鑒權。終端接入6G網絡時需要進行鑒權認證，6G接入網、核心網、邊緣計算節點等不同網絡域設備之間也會依賴密碼算法進行身份認證。二是適用于安全通信協議以實現加密傳輸和完整性保護。SSH、IPSec、TLS等安全協議被廣泛應用于6G設備之間通信安全保護，并對特定通信接口的數據進行保護。三是基礎設施安全可信保護。6G網絡底層將采用虛擬化方式實現，在設備可信認證、證書校驗和固件簽名等方面大量使用哈希算法、密鑰交換、公鑰算法等。具體來看，PQC算法在6G網絡中的應用場景如下。

終端認證安全：在5G網絡的主認證過程支持5G-AKA和EAP-AKA'兩種方式，過程中會使用基于HMAC-SHA256算法的密鑰派生函數（KDF）計算預期響應，也會采用MILENAGE算法（核心采用128bits的AES算法）來生成認證向量。在6G網絡接入認證過程中，可采用CRYSTAL-Kyber的密鑰封裝機制（KEM）進行替代，或與經典密鑰交換做混合以生成會話密鑰，用Dilithium、SPHINCS+等PQC簽名算法對認證向量和響應消息進行簽名，有效防止量子計算攻擊導致的身份偽造和信息竊取。

數據傳輸加密：可以采用PQC算法對6G網絡中傳輸的敏感數據進行加密，防止數據泄露，例如在接入網與核心網的回傳網絡IPsec通道采用PQC的KEM以確保前向保密與長期機密性，在軟件定義網絡（SDN）控制通道和網絡功能虛擬化（NFV）管理接口使用PQC算法加固數據傳輸安全。6G網絡設備之間通信支持IETF RFC 7540和RFC 2818定義的雙向認證TLS和HTTPS，設備具備服務器證書和客戶端證書，用于身份認證和策略驗證。支持PQC算法的數字證書和安全協議，將為6G管理面的數據、用戶面傳輸的數據和控制面的信令數據提供加密和完整性保護。

用戶隱私保護：5G網絡中引入了對用戶永久標識符（SUPI）的加密保護機制，終端向空口發送SUPI時，使用公鑰將SUPI加密為用戶隱藏標識符（S網絡切片憑證、SDN控制器密鑰、管理賬戶密碼等重要敏感數據，也可通過對稱算法進行加密存儲，并對密鑰進行PQC封裝。

基礎設施可信：6G網絡基礎設施將通過可信計算、可信驗證和遠程證明等機制，構建底層軟硬件的全棧可信鏈，可將PQC簽名算法用于設備身份、證書和固件簽名。此外，如果使用區塊鏈智能合約技術實現6G跨網跨域的基礎設施標識安全管理，可采用PQC算法來保證鏈上數據簽名的有效性及完整性。

邊緣計算接口保護：6G將大量采用邊緣智能設備提供分布式算力和業務，邊緣設備的API調用可采用基于PQC算法的TLS協議，對邊緣人工智能模型與數據傳輸進行加密與完整性保護。

應用方式

混合加密：在量子計算威脅尚未完全到來之際，傳統密碼算法仍然可以提供一定程度的安全保障，將傳統密碼算法與PQC算法結合使用，可在6G發展階段提供更便捷的解決方案。例如，在6G設備之間建立會話密鑰的同時，執行經典密鑰交換和PQC的KEM，將兩個共享秘密通過KDF合并為最終會話密鑰；或者通過高性能的經典對稱算法（如AES-256-GCM）進行加密存儲，使用PQC的KEM對對稱主密鑰進行封裝/加密，以保證向后兼容。

密碼即服務：6G基礎設施具備密碼能力，能夠采用接口的方式，調用PQC算法模塊，實現對網絡環節的按需保護。將PQC的密鑰管理、封裝/解封、簽名/驗簽、證書管理及相關運算等功能，以原子化和服務化的方式提供給6G終端、網絡和應用進行調用，可大幅降低各類設備對算法的依賴性，降低終端與應用的密碼算法升級成本，并通過軟硬件加速和專用可信執行環境提供可證明的安全保障。

物理層安全增強：無線物理層安全技術利用無線信道的各向異性、隨機時變性和第三方測不準特性等天然的內生安全屬性，提供可融合但不依賴傳統密碼的6G物理層無線信號安全方案。可將物理層生成的密鑰與PQC的KEM輸出密鑰進行合并生成會話密鑰，只要任何一個密鑰來源未被破壞，就可以保證整體密鑰的安全性。

敏捷算法遷移：為了應對密碼算法不斷發展帶來的潛在安全漏洞，6G網絡需要具備靈活的密碼算法架構，方便快速切換和升級密碼算法。可采用模塊化設計，將密碼算法封裝成獨立的模塊，形成原子化安全功能，便于進行替換和調用。例如，在公鑰基礎設施（PKI）體系保留經典證書授權（CA）的基礎上，引入支持PQC的CA，通過交叉簽名或雙根方式生成同時包含經典算法與PQC算法的公鑰證書，從而實現平滑遷移。

03

待解決的問題

PQC算法已在IT產品和服務中得到應用。例如，OpenSSL、BoringSSL等密碼學庫已經支持部分PQC算法。然而在移動通信領域，PQC算法的應用步伐仍然緩慢，面臨著企業遷移準備不足、適用場景不清晰、使用方式不明確等挑戰。產業界花費了近20年才構建起一套完整的公鑰密碼系統基礎設施，當前面向6G網絡的PQC應用和遷移也存在著一些技術挑戰。

算法優化與性能提升

PQC算法的計算速度、密鑰尺寸、簽名尺寸等性能表現通常不如傳統密碼算法，Kyber1024算法的公鑰和私鑰長度分別達到1568、3168字節，難以滿足6G場景中的海量物聯網終端輕量化認證的需求。因此，需要進一步研究和優化PQC算法，提高其性能，降低計算復雜度和存儲空間需求，使其更適用于資源受限的6G設備和網絡環境。

標準化與互操作性

6G將實現“空天地海”一體化異構網絡融合，終端和設備形態差異較大，不同廠商和設備需要遵循相同的標準，才能實現安全的互聯互通。推動PQC算法的標準化進程，尤其是加快國產化PQC的標準研制，形成統一的標準體系，是實現互操作性的關鍵。此外，6G網絡還涉及國際網絡間的互聯互通，PQC算法的遷移和替代也需要綜合考慮與國際網絡協議的兼容性問題。

算法適用性

基礎電信網絡類型多樣、環節復雜，通信協議、數據加密等多場景均用到密碼算法，而6G通信設備支持多個協議，全面替換或大面積設備替換面臨技術復雜度高、成本高、周期長的問題。因此，需要針對6G網絡中對數據保護要求最高的環節優先開展PQC遷移研究，例如控制面的信令傳輸安全、用戶標識保護等，再逐步考慮對通用場景的遷移替代。

安全性與性能的平衡

目前業界缺乏對基礎電信網絡PQC算法應用的整體評估方法。除了算法本身性能之外，還需要評估算法對設備通信互聯、端到端業務時延和穩定性等方面的影響。因此，需要研究針對6G網絡PQC算法遷移的安全評估體系，對算法的安全性和業務性能開展綜合性分析和測試，例如對超高可靠低時延業務在算法選擇與分組最大傳輸單元（MTU）上做兼容性測試。此外，還需要對算法本身進行安全性評估，及時發現并修復潛在的安全漏洞。

結語

量子計算的密碼破解能力已對現有密碼技術體系構成嚴重威脅，而6G支持異構網絡通信、通感算一體化等新型場景，終端連接急劇增多、業務應用極大豐富，需要保護的數據類型多、數量大，面向未來應確保數據和通信長期安全。因此，面對量子計算帶來的威脅，迫切需要構建抗量子攻擊的能力。

PQC算法是應對量子計算威脅、保障6G網絡安全的關鍵技術，將在6G網絡身份認證、數據保護、邊緣安全等多個場景中發揮重要作用。未來，需要加強PQC算法在6G網絡中實用性、性能優化與互操作的研究，開展安全性與性能平衡的評估，從而保障PQC算法在6G網絡中的有效性和遷移敏捷性。

本文刊載于《通信世界》2026年第1期

作者：中國信息通信研究院馮澤冰

責編/版式：孫天

審校：梅雅鑫

監制：劉啟誠

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