Netzwerksicherheit und Quantentechnologie Quantensicherheit im Router: QKD ohne Zusatzhardware

Quantum Key Distribution (QKD) galt bisher als schwer skalierbar, weil sie eigene QKD-Appliances erfordert. Eine Zusammenarbeit von HPE und CUbIQ Technologies zeigt jetzt einen Weg, das Problem zu lösen: QKD wird als Steckmodul in den Router integriert und nutzt die daraus gewonnenen Schlüssel direkt zur Verschlüsselung mit MACsec – ohne zusätzliche Systemebene.

Noch existiert kein Quantencomputer, der moderne Verschlüsselungsverfahren brechen könnte. Dennoch wächst der Druck auf Unternehmen und Behörden, ihre Kryptografie bereits heute auf eine mögliche Post-Quantum-Ära vorzubereiten. Grund dafür ist die Unsicherheit, wann der so genannte „Q-Day“ eintreten wird – also der Zeitpunkt, an dem ein leistungsfähiger Quantencomputer klassische Public-Key-Verfahren wie RSA oder elliptische Kurven kryptografisch auflösen kann. Schätzungen reichen derzeit von wenigen Jahren bis hin zu mehreren Jahrzehnten. Für Organisationen mit besonders sensiblen Daten, wie im Finanzsektor, im Gesundheitswesen oder in kritischen Infrastrukturen ergibt sich daraus ein strategisches Risiko.

Die reale Bedrohung: „Harvest now, decrypt later“

Besonders problematisch ist ein Angriffsszenario, das bereits aktuell ist: „Harvest now, decrypt later“. Das bedeutet, dass Angreifer schon jetzt verschlüsselte Kommunikation abgreifen und speichern, um sie später beim Vorhandensein entsprechender Quantencomputer zu entschlüsseln. Für viele Daten wäre das aufgrund der langen Zeitachse zwar irrelevant. Doch bei personenbezogenen Daten, vertraulichen Produktinformationen oder staatlichen Kommunikationsabläufe kann eine Entschlüsselung auch noch Jahre später einen erheblichen Schaden verursachen. Diese Bedrohung wird von vielen Unternehmen ernst genommen. Laut PwC pilotieren und testen bereits 29 Prozent der deutschen Unternehmen quantenresistente Sicherheitsmaßnahmen.

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Regulierung beschleunigt den Übergang

Das US-amerikanische National Institute of Standards and Technology (NIST) hat in den vergangenen Jahren mehrere Post-Quantum-Kryptografieverfahren standardisiert. US-Behörden und -Unternehmen sind gehalten, ihre Systeme schrittweise auf diese neuen Verfahren umzustellen. Auch das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) empfiehlt Organisationen, ihre Infrastruktur frühzeitig auf quantenresistente Verfahren vorzubereiten und eine so genannte Crypto-Agility aufzubauen. Gleichzeitig arbeitet die EU an Roadmaps für eine koordinierte Migration auf Post-Quantum-Kryptografie. Hierbei verfolgen die Hersteller zwei Lösungswege: neue mathematische Verfahren der Post-Quantum-Kryptografie (PQC) sowie physikalische Ansätze wie Quantum Key Distribution (QKD). Während PQC auf neuen kryptografischen Algorithmen basiert, nutzt QKD die Eigenschaften der Quantenphysik, um Schlüssel über optische Verbindungen auszutauschen. Jeder Abhörversuch verändert dabei den Quantenzustand der übertragenen Photonen und kann so erkannt werden.

QKD in der Praxis: Klassische Ansätze skalieren schlecht

Die heute verfügbaren QKD-Systeme bestehen typischerweise aus separaten Appliances für Sender und Empfänger, die als eigenständige 19-Zoll-Geräte im Netzwerk installiert werden. Diese Systeme erzeugen Quantenschlüssel und stellen sie anschließend Routern oder Verschlüsselungssystemen zur Verfügung. Das bedeutet zusätzliche Infrastruktur: eigene Hardwareplattformen, separate Managementschnittstellen und Integrationsaufwand. Und neben den Investitionen entstehen zusätzliche Betriebsaufwände für Monitoring und Lifecycle-Management.

Architekturwechsel: QKD als Bestandteil des Routers

Ein alternativer Ansatz besteht darin, QKD nicht als separate Infrastruktur zu betreiben, sondern es direkt in bestehende Netzwerkgeräte zu integrieren. Genau hier setzt die Kooperation von CUbIQ mit HPEs aktueller Infrastruktur an. Die QKD-Funktionalität wird dabei direkt in die Netzwerkplattform integriert, sodass keine zusätzliche Systemebene entsteht. Der technische Kern dieser Architektur ist ein QKD-Transceiver im QSFP-28-Pluggable-Format, der direkt in Router oder Switches integriert werden kann. Das QKD-Transceiver-Modul wurde von CUbIQ Technologies entwickelt und lässt sich in Host-Plattformen, wie beispielsweise HPEs PTX-Serie einbinden.

Integration von QKD und MACsec

Bei diesem Prototyp erzeugt das QKD-Pluggable den Quantenschlüssel direkt über die optische Verbindung. Die Routersoftware liest diese Schlüssel aus dem Modul aus und übergibt sie an die integrierte Verschlüsselungsfunktion des Routers.

Dabei kommt MACsec zum Einsatz – ein Layer-2-Verschlüsselungsmechanismus für Ethernet-Verbindungen. Der Datenverkehr kann auf diese Art mit Schlüsseln geschützt werden, die über QKD erzeugt wurden. Die Integrationsarbeit liegt dabei vor allem in der Steuerlogik: Router müssen erkennen, wann neue Schlüssel verfügbar sind, diese synchron zwischen Endpunkten verwenden und an Verschlüsselungsmechanismen übergeben. Ein weiterer Unterschied zu klassischen QKD-Architekturen betrifft die Systemlogik. In vielen bisherigen Implementierungen bildet das QKD-System eine eigene Infrastruktur und versorgt Router oder Switches mit Schlüsseln. Der QKD-Ansatz von CUbIQ kehrt diese Architektur um: Der Router bleibt die zentrale Plattform, während QKD nur noch als integriertes Modul fungiert.

Operative Vorteile der Integration

Da QKD nicht mehr als separates System betrieben wird, entfällt eine eigene Managementebene für die QKD-Hardware. Das Modul lässt sich über die vorhandene Routerplattform verwalten und damit nahtlos in bestehende Netzwerk-Workflows integrieren. Für die Netzbetreiber reduziert das vor allem den operativen Aufwand. Neue QKD-Funktionen können über Module oder Softwareerweiterungen eingeführt werden, ohne zusätzliche Infrastruktur aufzubauen. Auch Hardware-Updates könnten künftig einfacher erfolgen: Leistungsfähigere Module lassen sich dann ähnlich wie optische Transceiver austauschen, ohne die gesamte QKD-Architektur zu verändern.

Stand der Entwicklung

Auch wenn der aktuelle Prototyp noch nicht marktreif ist, so unterstützen HPE-Juniper-Router bereits jetzt Szenarien, in denen Quantenschlüssel aus externen QKD-Systemen übernommen werden können. Plattformen mit entsprechenden Verschlüsselungsfunktionen können solche Schlüssel beispielsweise für IPsec oder MACsec nutzen. Der nun vorgestellte Integrationsansatz könnte künftig dazu beitragen, QKD aus spezialisierten Pilotprojekten herauszulösen und stärker in klassische Netzarchitekturen zu integrieren.

Forschung und Roadmap: Vom Prototyp zum Quantennetz

HPEs Router-Prototyp ist Teil einer breiteren Forschungsagenda rund um quantensichere Netztechnologien. Beispielsweise beteiligt sich HPE unter anderem am QIA Technology Forum (QIATF), einer europäischen Forschungsinitiative im Rahmen des EU-Programms „Quantum Flagship“. Ziel der Allianz ist es, die Grundlagen für ein paneuropäisches Quantennetz zu schaffen. Dabei arbeiten Universitäten, Forschungsinstitute und Industriepartner gemeinsam an Technologien wie Quantum Key Distribution, Quanten-Repeatern und neuen Netzwerkprotokollen für zukünftige Quantennetze. Das Programm bündelt Entwicklungsprojekte über zukünftige Netztechnologien, inklusive Quantum-Networking und quantensichere Kommunikation. Ziel ist es, neue Konzepte frühzeitig zu erproben und ihre Integration in bestehende Netzwerkarchitekturen vorzubereiten.

Des Weiteren arbeitet der Serviceanbieter Liberty Global mit CUbIQ, HPE und Coherent Corp., einem Anbieter von optischen Steckverbindungen, zusammen. Damit ist ein reibungsloser Betrieb der HPE-CUbIQ-Netzwerklösung in einer Serviceanbieterumgebung gewährleistet.

Ausblick: Sicherheit im Schatten des Q-Day

Die weitere Entwicklung beim Quantencomputing ist schwer vorhersehbar. Einigkeit besteht darin, dass der Übergang zu quantensicheren Verfahren noch Jahre dauern wird. Ob physikalische Verfahren wie Quantum Key Distribution künftig eine größere Rolle spielen werden, ist unter Fachleuten umstritten.

Während Befürworter darin eine zusätzliche Sicherheitsschicht sehen, argumentieren andere Experten, dass mathematische Post-Quantum-Algorithmen bereits auf heutiger Hardware implementiert werden können und deshalb für viele Anwendungen ausreichend sind. Am wahrscheinlichsten ist ein hybrider Ansatz: Neue kryptografische Algorithmen bilden die Grundlage zukünftiger Sicherheit, während quantenbasierte Technologien dort eingesetzt werden, wo besonders hohe Schutzanforderungen bestehen.

Über den Autor

Gert Grammel ist Quantum Security Lead bei HPE.

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