PQGuard: Post-Quantum Secure LLM Inference Framework

PQGuard 是第一个端到端的后量子安全架构，将 NIST 标准化的后量子密码学（PQC）方案集成到完整的 LLM 生命周期中。

功能特性

核心安全功能

1. 模型完整性验证

   • 使用 CRYSTALS-Dilithium 对模型权重、LoRA 适配器和提示模板进行签名
   • SHA-256 哈希验证确保文件完整性
   • 支持细粒度的模型组件验证

2. 加密推理会话

   • CRYSTALS-Kyber-768 密钥封装机制（KEM）进行密钥交换
   • AES-256-GCM 对称加密保护推理数据
   • 低延迟的端到端加密通信

3. 不可否认性审计日志

   • SPHINCS+-SHA256 签名的审计日志
   • 支持时间范围、会话、模型等查询
   • 可锚定到不可变存储（WORM/区块链）

4. 混合模式支持

   • 支持经典密码学与后量子密码学的混合使用
   • 平滑过渡期间的兼容性

架构组件

PQGuard/
├── sal.py                    # PQ-SAL: 后量子安全抽象层
├── model_integrity.py        # 模型完整性验证
├── session_encryption.py     # 会话加密管理
├── audit_log.py              # 审计日志系统
├── llm_pipeline.py           # LLM 推理管道集成
└── examples/                 # 示例代码
    ├── basic_usage.py
    ├── create_model_manifest.py
    ├── audit_log_demo.py
    └── complete_demo.py

安装要求

系统依赖

# Ubuntu/Debian
sudo apt-get update
sudo apt-get install -y build-essential cmake libssl-dev python3-dev

# Python 包
pip install pyoqs cryptography transformers accelerate torch

安装 PyOQS（如果未安装）

git clone https://github.com/open-quantum-safe/liboqs-python.git
cd liboqs-python
pip install .

快速开始

1. 基本使用

from pqguard import PQGuardLLMPipeline

# 初始化管道
pipeline = PQGuardLLMPipeline(
    model_id="/path/to/model",
    model_type="qwen",
    enable_encryption=True,
    enable_audit=True,
)

# 建立加密会话
server_pk = pipeline.get_server_public_key()
# ... 客户端使用 KEM 封装密钥 ...
session_id, _ = pipeline.establish_session(kem_ciphertext)

# 安全推理
result = pipeline.generate(
    prompt="你的问题",
    session_id=session_id,
    max_new_tokens=512,
)

2. 创建模型清单

from pqguard.model_integrity import ModelIntegrityVerifier
from pqguard.sal import PQSecurityAbstractionLayer

sal = PQSecurityAbstractionLayer()
verifier = ModelIntegrityVerifier(sal)

# 生成签名密钥对
public_key, secret_key = sal.generate_signature_keypair()

# 创建并签名清单
manifest = verifier.create_manifest(
    model_path=Path("/path/to/model"),
    model_id="Qwen/Qwen1.5-7B-Chat",
    model_type="qwen",
    version="1.0",
    secret_key=secret_key,
)

# 保存清单
verifier.save_manifest(manifest, Path("manifest.json"))

3. 运行示例

# 基本使用示例
python pqguard/examples/basic_usage.py

# 创建模型清单
python pqguard/examples/create_model_manifest.py

# 审计日志演示
python pqguard/examples/audit_log_demo.py

# 完整演示
python pqguard/examples/complete_demo.py

安全假设

威胁模型

PQGuard 在量子增强的 Dolev-Yao 威胁模型下工作，假设：

• 攻击者具有量子计算能力
• 网络通信可能被窃听和篡改
• 模型文件可能被替换或修改
• 需要审计和不可否认性保证

安全属性

1. 机密性 (IND-CCA2)

   • 基于 Module-LWE 假设（Kyber）
   • 抵抗量子攻击的密钥交换
   • AES-256-GCM 提供认证加密

2. 完整性 (EUF-CMA)

   • 基于 Module-SIS 假设（Dilithium）
   • 模型文件的签名验证
   • 抵抗量子攻击的数字签名

3. 不可否认性

   • SPHINCS+ 签名提供不可否认性
   • 审计日志的法律约束力
   • 不可变存储锚定

API 文档

PQSecurityAbstractionLayer

后量子安全抽象层，提供统一的 PQC 操作接口。

主要方法

• generate_kem_keypair() - 生成 Kyber 密钥对
• kem_encapsulate(public_key) - 密钥封装（客户端）
• kem_decapsulate(secret_key, ciphertext) - 密钥解封装（服务器）
• generate_signature_keypair() - 生成 Dilithium 签名密钥对
• sign(data, secret_key) - 签名数据
• verify(data, signature, public_key) - 验证签名

ModelIntegrityVerifier

模型完整性验证器。

主要方法

• create_manifest(model_path, ...) - 创建模型清单
• verify_manifest(manifest) - 验证清单签名
• verify_model_files(model_path, manifest) - 验证文件哈希

SecureSessionManager

安全会话管理器。

主要方法

• get_server_public_key() - 获取服务器公钥
• create_session(kem_ciphertext) - 创建会话（服务器）
• establish_session(server_pk) - 建立会话（客户端）
• encrypt_request(session_id, plaintext) - 加密请求
• decrypt_response(session_key, ciphertext) - 解密响应

AuditLogger

审计日志记录器。

主要方法

• create_entry(...) - 创建审计条目
• log(entry) - 记录条目
• query_logs(...) - 查询日志
• verify_log_file(log_file) - 验证日志文件

PQGuardLLMPipeline

完整的 PQGuard LLM 推理管道。

主要方法

• generate(prompt, session_id, ...) - 生成响应
• get_server_public_key() - 获取服务器公钥
• establish_session(kem_ciphertext) - 建立会话

性能考虑

• 密钥交换: Kyber-768 密钥交换约 1-2ms
• 签名验证: Dilithium-2 验证约 1-5ms
• 加密开销: AES-GCM 加密/解密约 0.1-1ms/100KB
• 审计日志: SPHINCS+ 签名约 10-50ms（批量签名可优化）

平台支持

• Intel Xeon 服务器
• NVIDIA Jetson AGX Orin
• Apple M 系列（ARM64）
• 支持 CUDA 的 GPU 加速推理

测试模型

已测试的模型：

• Qwen1.5-7B-Chat
• Qwen2-VL-7B-Instruct
• Llama-3 (理论支持)
• Phi-3 (理论支持)

许可证

本项目基于开源许可证，具体见 LICENSE 文件。

引用

如果使用 PQGuard，请引用：

@article{pqguard2026,
  title={PQGuard: Post-Quantum Secure LLM Inference Framework},
  author={...},
  journal={...},
  year={2026}
}

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