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、身份认证和秘密文件共享与传输功能。本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 |
|---|---|---|---|
| 熊逸航 | ARS4EVER | 代码编写、测试维护、漏洞修复 | 2568910086@qq.com |
| 杨昊文 | amonadam | 项目架构、代码编写、测试维护 | 3032875322@qq.com |
- 当前的加密通信方式大多采用传统的非对称加密算法，比如RSA,ECC等，这些算法在量子计算下存在被破解的风险，本系统严格采用 NIST 最新的 ML-KEM-512 与 ML-DSA-44 标准构建了 1.5-RTT 的安全握手协议实现后量子时代的加密通信，并借此实现了多方密钥安全协商。
- 传统的云存储服务高度依赖中心化服务器，极易遭遇单点故障，本系统通过引入 Shamir 秘密共享 (t, n) 门限算法结合本地 AES-256-GCM 加密，将机密资产打散并安全分发至 P2P 网络，实现了去中心化的秘密文件存储的安全性。
- 为解决经典的Shamir秘密共享在处理大文件时，数据量过大导致传输效率低的问题，本系统引入基于伽罗瓦域 GF(256) 的查表法进行深度优化，将乘除法时间复杂度降至 O(1)，用空间换时间，成功提高了大文件的传输与重构效率，
- 为解决复杂 NAT 网络节点直连困难、普通 UDP 难以保障弱网下大文件可靠传输以及易受重放攻击等难点，本系统通过采用基于 STUN 的 UDP 打洞技术，带有 SACK 与拥塞控制机制的 RUDP 协议，并引入高熵挑战-应答机制，在保证极低延迟的同时实现了可靠传输。
QSP-main/
├── GUI/
│ └── main_window.py # 现代化 GUI 界面
├── data/
│ ├── keys/ # 身份密钥 (AES-256-GCM 加密存储)
│ │ ├── node_identity.dat # 加密的节点身份文件
│ │ ├── .vault_salt # 密钥派生盐值
│ │ └── .vault_verifier # 密码验证器
│ ├── shares/ # 资产份额和清单
│ │ ├── {文件哈希}_share_X.dat
│ │ └── .qsp_identity.pem # 节点身份证书
│ └── restored/ # 恢复的资产
│ └── recovered_{文件名}
├── image/ # 图像资源
│ └── logo.jpg # 项目 Logo
├── 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
│ ├── core/ # 核心协议层
│ │ ├── challenge_auth.py # 挑战认证协议
│ │ ├── messages.py # 协议消息定义
│ │ ├── recovery_host.py # 恢复主机逻辑
│ │ └── recovery_participant.py # 恢复参与者逻辑
│ ├── 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
│ │ └── gf256.py # GF(256) 有限域运算
│ ├── utils/ # 工具函数
│ │ ├── data_handler.py # 数据处理工具
│ │ └── logger.py # 日志工具
│ └── 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
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_encryptor_phase2 tests.test_config_phase2 tests.test_secure_channel_phase2 tests.test_holepunch_phase5 tests.test_p2p_multiplexing tests.test_rudp_sack tests.test_congestion_phase4 tests.test_secure_link_phase6 tests.test_keepalive_phase8 tests.test_vault_encryption_phase10 tests.test_large_file_streaming tests.test_recovery_streaming_phase7 tests.test_app_protocol tests.test_app_protocol_phase2 tests.test_app_router tests.test_c10_two_way_auth tests.test_c4_c9_security tests.test_c8_challenge_auth tests.test_c8_clock_sync_replay tests.test_c8_phases3_4 tests.test_c9_typo_detection tests.test_ui_sync_phase5 tests.test_integration_final -vpython main.py- 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）
系统采用 NIST FIPS 204 ML-DSA-44 (Dilithium) 数字签名算法实现身份认证：
- 身份生成：基于格密码学的后量子签名密钥对，公钥大小 1312 字节，私钥 2528 字节
- 身份验证：采用公钥指纹验证机制，有效缩小证书体积，提升验证效率
- 挑战-响应协议：实现双向认证流程，防止中间人攻击（MITM）
- 身份存储：通过 PBKDF2HMAC-SHA256 密钥派生，结合 AES-256-GCM 加密本地身份凭证
技术特点：
- 基于模块格上的短整数解（SIS）问题，抗量子计算攻击
- 签名大小约 2420 字节，安全强度等价于 AES-128
- 支持确定性与概率性签名生成
- 本地身份文件加密存储于 data/keys/node_identity.dat
采用创新的 公钥指纹 + 网络坐标 邀请码机制：
- 邀请码结构：包含节点 ID、公钥哈希、公网 IP 和端口信息
- 安全发现：通过 STUN 服务器获取公网坐标，支持 IPv4/IPv6 双栈
- 身份验证：建立连接前验证 Dilithium 签名，确保节点身份真实性
- 轻量传输：邀请码体积压缩，便于在多种渠道传输
通信通道建立采用 NIST FIPS 203 ML-KEM-512 (Kyber) 密钥封装算法：
- 密钥交换：Kyber512 封装机制，公钥 800 字节，密文 768 字节
- 前向保密：每次会话生成新的密钥材料，确保历史通信安全
- 完美前向保密：长期密钥泄露不影响已建立会话的安全性
- 实现细节：模块格上的学习带误差（MLWE）问题提供量子安全保障
应用层数据传输采用认证加密算法：
- 加密算法：AES-256-GCM 提供机密性、完整性和认证性
- 认证标签：128 位认证标签，防止消息篡改
- 随机 Nonce：96 位 Nonce，确保密文不可预测性
- 数据分片：大文件分片传输，提高传输可靠性
自定义传输层协议实现可靠数据传输：
- 选择性确认 (SACK)：基于 SACK 机制的重传策略，减少冗余数据传输
- 延迟梯度拥塞控制：Hybrid 混合拥塞控制算法，结合延迟梯度与丢包率
- 心跳保活：周期性心跳检测，维护连接状态
- 乱序重组：支持数据包乱序到达与重组
性能指标：
- 支持最大 1400 字节 MTU
- 拥塞窗口动态调整，适应网络变化
- 丢包率小于 0.1% 时吞吐量接近 TCP
数据容灾基于 Shamir's Secret Sharing 算法：
- 数学基础：GF(256) 有限域上的多项式插值
- 门限参数：(t, n) 方案，t 为恢复门限，n 为参与者总数
- 查表加速：预计算 GF(256) 乘法/加法表，提升性能 10 倍以上
- 信息论安全：少于 t 个份额无法获取任何明文信息
完整的备份流程包含以下步骤：
- 文件加密：首先使用 AES-256-GCM 加密源文件
- 秘密分割：将加密后的文件分割为 n 个份额
- 份额签名：每个份额使用 Dilithium 私钥签名，确保完整性
- 分发存储：通过 P2P 网络将份额分发至已连接节点
- 清单生成：生成包含元数据的清单文件，用于恢复
安全特性：
- 每个份额独立加密存储
- 支持任意大小文件的流式处理
- 进度实时反馈与断点续传
数据恢复流程实现多方协同：
- 清单导入：读取元数据清单，确定所需份额数量
- 网络寻呼：向 P2P 网络广播份额请求
- 份额验证：验证每个收到份额的 Dilithium 签名
- 秘密重构：收集 ≥ t 个有效份额，通过拉格朗日插值重构原始文件
- 完整性校验：重构后验证文件哈希值
容错能力：
- 最多可容忍 n - t 个节点失效
- 支持网络节点动态加入/退出
- 份额来源不可预测，提升安全性
本地敏感数据采用金库式加密保护：
- 密钥派生：PBKDF2HMAC-SHA256，迭代次数 100000+
- 盐值管理：随机生成 16 字节盐值，存储于 data/keys/.vault_salt
- 验证机制：派生验证哈希，存储于 data/keys/.vault_verifier
- 加密模式：AES-256-GCM 认证加密，提供完整性保证
- 防暴力破解：高迭代次数的密钥派生，显著增加破解难度
- 防篡改：GCM 模式提供认证标签，数据被篡改可立即检测
- 零知识验证：密码验证过程不暴露任何密码相关信息
- 数据隔离：敏感数据与普通数据存储隔离
实现完整的 NAT 穿透方案：
- STUN 协议：会话遍历 UDP NAT，获取公网映射地址
- 打洞流程：双向同时发送探测包，建立 UDP 会话
- NAT 类型：支持 Full Cone、Restricted Cone、Port Restricted Cone、Symmetric NAT
- 心跳保活：维持 NAT 端口映射，防止会话超时
- 去中心化：无中心服务器的P2P 网络架构
- 动态发现：支持节点动态加入与离开
- 连接复用：单端口多连接，支持多路复用
- 状态监控：实时连接状态监控与自动重连
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.dat（AES-256-GCM 加密） - 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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