Cieli Sicuri Domani: Crittografia Agile e Post-Quantistica per Aerei a Prova di Futuro!

Amici, parliamoci chiaro. Quando pensiamo alla sicurezza aerea, la prima cosa che ci viene in mente sono i controlli meticolosi, la robustezza meccanica degli aerei, magari le procedure di emergenza. Ma c’è un mondo invisibile, fatto di dati e comunicazioni, che è altrettanto cruciale e che, vi dirò, sta per affrontare una rivoluzione copernicana. Sto parlando della crittografia in ambito avionico, e in particolare della sfida posta dai computer quantistici.

Pensateci un attimo: un problema a un portellone lo si vede, si interviene. Ma una falla nella sicurezza delle comunicazioni aeree? Quella è subdola, invisibile, finché non è troppo tardi. E le conseguenze, beh, non voglio nemmeno immaginarle. Immaginate se qualcuno potesse intercettare o, peggio, alterare le comunicazioni tra un aereo e la torre di controllo. O se un attacco informatico potesse mettere a terra un’intera flotta. Scenari da film, dite? Forse oggi, ma con l’avanzare della tecnologia, anche quella dei “cattivi”, dobbiamo essere pronti.

Il Dilemma Attuale: Un Cielo Troppo “Aperto”

Vi stupirà sapere che, nonostante le tecnologie crittografiche siano disponibili da tempo, gran parte delle comunicazioni avioniche, come il sistema ACARS (Aircraft Communications Addressing and Reporting System), viaggia ancora in chiaro. Sì, avete capito bene: come una cartolina aperta a tutti! Si stima che il 99% del traffico dati ACARS sia trasmesso senza alcuna cifratura. Anche sistemi come l’ADS-B (Automatic Dependent Surveillance-Broadcast), che trasmette la posizione degli aerei, non usano crittografia. È un po’ come lasciare la porta di casa spalancata in un quartiere affollato, non trovate?

La verità è che il mondo dell’avionica e quello della crittografia hanno viaggiato per anni su binari paralleli, con priorità diverse. L’avionica, giustamente, punta alla safety, alla sicurezza operativa, alla disponibilità continua dei sistemi. Un messaggio crittografato che arriva con un minimo errore? Per un crittografo “puro”, meglio scartarlo per preservare l’integrità. Ma se quel messaggio è una comunicazione critica durante un atterraggio d’emergenza, capite bene che la disponibilità diventa vitale.

Inoltre, i cicli di sviluppo in avionica sono lunghissimi. Un sistema implementato oggi deve essere sicuro e funzionante per decenni. E qui entra in gioco la nuova, grande minaccia: i computer quantistici.

L’Ombra Quantistica: Una Minaccia Reale (e Futura)

I computer quantistici, amici, non sono fantascienza. Anche se non li abbiamo ancora sulla scrivania, la ricerca avanza a passi da gigante. E quando saranno abbastanza potenti, saranno in grado di “rompere” gran parte della crittografia che usiamo oggi per proteggere le nostre email, le transazioni bancarie e, sì, anche le (poche) comunicazioni aeree cifrate. Questo perché gli algoritmi attuali si basano su problemi matematici che i computer classici faticano a risolvere, ma che per un computer quantistico sarebbero un gioco da ragazzi.

Ecco perché parliamo di crittografia post-quantistica (PQC): algoritmi progettati per resistere anche agli attacchi di questi futuri supercomputer. E per l’avionica, che guarda a orizzonti temporali di 20, 30, 40 anni, iniziare ora la transizione alla PQC non è un’opzione, è una necessità impellente. Non possiamo permetterci che i dati sensibili raccolti oggi vengano decifrati domani.

La Nostra Proposta: Agilità e Sicurezza Ibrida per Volare Tranquilli

Ed è qui che entriamo in gioco noi, con un approccio che cerca di unire il meglio dei due mondi. Abbiamo pensato: come possiamo introdurre una crittografia robusta, a prova di futuro quantistico, nel mondo avionico senza stravolgerlo e garantendo quella che chiamiamo “crypto-agilità”?

La crypto-agilità è fondamentale. Significa poter aggiornare o sostituire gli algoritmi crittografici rapidamente se si scopre una vulnerabilità o se emerge uno standard migliore, senza dover ricertificare l’intero sistema da zero – un processo lungo e costoso in avionica. La chiave? La partizione software.

Abbiamo preso uno standard di crittografia recente e molto promettente, chiamato HPKE (Hybrid Public Key Encryption), e lo abbiamo “incapsulato” in una partizione software isolata, seguendo i principi dell’avionica (come quelli definiti dallo standard ARINC 653). Immaginate questa partizione come una “scatola nera” dedicata esclusivamente alla crittografia. Le altre applicazioni sull’computer di volo possono chiederle di cifrare o decifrare messaggi senza sapere esattamente come lo fa. Se domani dobbiamo cambiare l’algoritmo dentro la scatola, le altre applicazioni non se ne accorgono nemmeno!

Ma non ci siamo fermati qui. Abbiamo potenziato HPKE per renderlo post-quantistico. Come? Con un approccio ibrido. In pratica, usiamo insieme algoritmi classici, super collaudati, e nuovi algoritmi PQC (nello specifico, ci siamo concentrati su Kyber/ML-KEM per l’incapsulamento della chiave e Dilithium/ML-DSA per le firme digitali). Se per qualche remota ipotesi uno degli algoritmi PQC dovesse rivelarsi fallace nel breve termine, la sicurezza sarebbe comunque garantita da quello classico. E viceversa, quando i computer quantistici saranno realtà, la componente PQC ci proteggerà.

• X25519MLKEM768: Questa variante combina la crittografia classica X25519 (per l’autenticazione oggi) con ML-KEM (per la segretezza a prova di futuro quantistico). Ideale per dati che devono rimanere segreti per anni.
• X25519MLKEM768MLDSA: Qui aggiungiamo anche la firma digitale post-quantistica ML-DSA, per garantire anche l’autenticazione del mittente in un mondo con computer quantistici attivi. Per una maggiore protezione, la firma stessa viene crittografata!

Abbiamo sviluppato queste nuove “ricette” crittografiche (tecnicamente si chiamano AKEM, Authenticated Key Encapsulation Mechanism) e le abbiamo integrate. Il bello è che questa architettura è generica: potremmo combinare diversi “ingredienti” crittografici a seconda delle necessità.

Prestazioni Sotto la Lente: Reggerà il Carico?

Una delle prime domande che ci siamo posti è stata: “Tutto molto bello, ma quanto pesa questa soluzione in termini di memoria e potenza di calcolo?”. Sappiamo che le risorse sui computer di volo non sono infinite. Abbiamo quindi eseguito dei benchmark.

I risultati sono incoraggianti! Per la crittografia, la nostra soluzione più robusta (quella con segretezza e autenticazione post-quantistica) ha richiesto circa 5 MB di RAM e meno di 200 KB di stack. La decrittografia è ancora più leggera. Certo, è un aumento rispetto a non avere crittografia, ma assolutamente gestibile dagli attuali computer di volo IMA (Integrated Modular Avionics), che dispongono di decine di MB di RAM.

In termini di velocità, gli algoritmi post-quantistici si sono dimostrati spesso più veloci delle loro controparti pre-quantistiche! L’overhead prestazionale complessivo, dovuto all’approccio ibrido, è stato di circa il 90% rispetto alla variante solo pre-quantistica. Parliamo comunque di operazioni che si concludono in meno di un millisecondo su una CPU moderna. C’è ancora margine di ottimizzazione, soprattutto per ridurre l’uso dello stack, ma la strada sembra quella giusta.

Un aspetto interessante è che le implementazioni che abbiamo usato (da librerie come liboqs) sono ottimizzate per le prestazioni della CPU, forse a scapito dell’efficienza della memoria. Versioni precedenti del nostro lavoro, con implementazioni diverse, mostravano requisiti di memoria più modesti. Questo ci dice che c’è spazio per trovare il giusto compromesso tra uso di memoria e prestazioni a seconda del caso d’uso specifico.

La Crypto-Agilità in Azione: Un Cambio al Volo

Per dimostrare la crypto-agilità, abbiamo creato un piccolo dimostratore con tre partizioni software in esecuzione su un ambiente che simula ARINC 653: una partizione “mittente”, una “destinatario” e la nostra “crypto-partizione”. Il mittente chiede alla crypto-partizione di “sigillare” (cifrare e autenticare) un messaggio, lo invia al destinatario, che a sua volta chiede alla crypto-partizione di “aprire” (decifrare e verificare) il messaggio.

La magia? Abbiamo potuto scambiare la crypto-partizione con versioni che implementavano i diversi schemi crittografici (solo pre-quantistico, PQC per segretezza, PQC per segretezza e autenticità) senza toccare una singola riga di codice nelle partizioni mittente e destinatario! Questo è il potere della modularità e dell’isolamento: aggiornare la sicurezza diventa un’operazione mirata, con un impatto minimo sul resto del sistema e, soprattutto, sul processo di certificazione.

Sicurezza Argomentata: Perché Fidarsi?

Non ci siamo limitati a costruire qualcosa e sperare per il meglio. Abbiamo condotto un’analisi di sicurezza (anche se non ancora una prova formale completa, quella è roba da matematici puri!). Abbiamo considerato diversi scenari di attacco, da quello passivo che si limita ad ascoltare, a quello attivo che cerca di modificare i messaggi o impersonare qualcuno.

La nostra costruzione ibrida è progettata per essere robusta:

• Scenario pre-quantistico: Se gli algoritmi PQC avessero problemi, la sicurezza si basa sulla solidità della componente classica (X25519HkdfSha256).
• Scenario post-quantistico: Se la componente classica viene “rotta” da un computer quantistico, entrano in gioco ML-KEM e ML-DSA a garantire segretezza e autenticità.

Abbiamo anche considerato aspetti tecnici più sottili, come la resistenza alle collisioni dei testi cifrati (Ciphertext Collision Resistance) e l’unicità delle firme, per evitare attacchi più sofisticati. Insomma, abbiamo cercato di mettere insieme gli ingredienti giusti, seguendo le migliori ricette della crittografia moderna.

Il Futuro è Adesso (o Quasi)

Quello che abbiamo dimostrato è che integrare crittografia allo stato dell’arte, e persino post-quantistica, nei sistemi avionici è fattibile, sia tecnicamente che in termini di prestazioni. La partizione software offre la crypto-agilità necessaria per affrontare un panorama di minacce in continua evoluzione.

Certo, la strada è ancora lunga. Bisogna approfondire le prestazioni su hardware avionico reale, non solo sui nostri potenti PC da laboratorio. E c’è l’enorme questione della distribuzione delle chiavi crittografiche: come fanno il mittente e il destinatario a conoscersi e a scambiarsi le chiavi pubbliche in modo sicuro? Qui potrebbero entrare in gioco infrastrutture a chiave pubblica (PKI), simili a quelle che proteggono la navigazione web (i certificati TLS), ma adattate al contesto aeronautico.

La collaborazione tra esperti di avionica e crittografi è più cruciale che mai. Dobbiamo imparare a parlare la stessa lingua, a capire le reciproche esigenze e a costruire insieme soluzioni che siano non solo sicure sulla carta, ma anche pratiche, certificabili e pronte per i cieli di domani.

Personalmente, sono entusiasta delle possibilità. Stiamo gettando le basi per un futuro in cui volare non sarà solo incredibilmente sicuro dal punto di vista fisico, ma anche protetto da minacce digitali sempre più sofisticate. E questo, amici, è un viaggio che vale davvero la pena intraprendere.

Fonte: Springer