ESP32-S3 รองรับการเข้ารหัสแบบ Post-Quantum ด้วยเฟิร์มแวร์โอเพ่นซอร์ส Aethyr Edge Node

Aethyr เปิดตัวเฟิร์มแวร์สำหรับ IoT edge node ที่เข้ารหัสแบบ Post-Quantum สำหรับชิป ESP32-S3 โดยสามารถบูตได้ภายใน 2.1 วินาที และรองรับการทำ handshake ด้วย Post Quantum Cryptography (PQC) เต็มรูปแบบภายในเวลาเพียง 35 มิลลิวินาที

อัลกอริทึมการเข้ารหัสแบบกุญแจสาธารณะ (Public-key cryptography) เช่น RSA และ ECC กำลังจะต้องถูกแทนที่ในอนาคตอันใกล้ เนื่องจากความก้าวหน้าของคอมพิวเตอร์ควอนตัม ซึ่งจะสามารถถอดรหัสระบบเข้ารหัสเหล่านี้ได้ภายในเวลาเพียงไม่กี่ชั่วโมงถึงไม่กี่วัน โดยใช้ Shor’s algorithm แม้ว่ายังมีเวลาเตรียมตัวอยู่บ้าง แต่ Google ได้อัปเดตไทม์ไลน์ สำหรับการย้ายไปใช้ Post-Quantum Cryptography เป็นปี 2029 แล้ว สาเหตุหลักมาจากความเป็นไปได้ที่ข้อมูลจะถูกเก็บสะสมไว้ในปัจจุบัน เพื่อนำไปถอดรหัสในอนาคตเมื่อมีคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีประสิทธิภาพเพียงพอ นอกจากนี้มาตรฐาน NIST FIPS 203 (ML-KEM-768) ยังได้กำหนดให้มีการใช้งานระบบความปลอดภัยที่ทนทานต่อควอนตัม ภายในปี 2035 อีกด้วย

เฟิร์มแวร์โอเพ่นซอร์ส Aethyr Edge Node ใช้เทคโนโลยีการแลกเปลี่ยนกุญแจแบบ Post-Quantum ที่ผ่านการตรวจสอบเชิงรูปแบบ (formally verified) อย่าง ML-KEM-768 (FIPS 203) ร่วมกับ BLAKE3 สำหรับตรวจสอบความถูกต้องของข้อมูล (integrity) และ XChaCha20-Poly1305 สำหรับการเข้ารหัส เพื่อสร้างระบบการสื่อสารแบบ Post-Quantum ระหว่างอุปกรณ์กับเซิร์ฟเวอร์ผ่านโปรโตคอล AethyrWire Protocol (AWP)

ระบบนี้เป็นองค์ประกอบพื้นฐานของเครือข่าย Aethyr distributed agent mesh ซึ่งมีเป้าหมายในการติดตั้ง AI agents อัตโนมัติบนเครือข่ายแบบ mesh โดยใช้โหนดขนาดเล็กที่รัน TinyML และโหนดขนาดใหญ่สำหรับงานประมวลผลที่ซับซ้อนมากขึ้น โดยไม่จำเป็นต้องพึ่งพา cloud ปัจจุบันส่วนที่เปิดเป็นโอเพ่นซอร์สของโปรเจกต์มีเฉพาะเฟิร์มแวร์สำหรับ ESP32-S3 เท่านั้น ขณะที่ส่วนอื่น ๆ ของระบบปฏิบัติการ Aethyr agent ยังคงเป็นซอฟต์แวร์แบบ proprietary

Aethyr dashboard — หน้าแดชบอร์ดของ Aethyr

อัลกอริทึมที่ทนทานต่อควอนตัม (Post-Quantum) อาจทำให้เกิดความหน่วงเพิ่มขึ้นบ้าง แต่จากผลการทดสอบ benchmarks บนโมดูล ESP32-S3-WROOM-1 ที่ใช้ซีพียูความเร็ว 240MHz (ทดสอบ 50 รอบ พร้อมค่าเฉลี่ยและส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน) พบว่าประสิทธิภาพยังอยู่ในระดับที่ดี ดังนี้

การทดสอบ	ค่าเฉลี่ย	StdDev	ต่ำสุด	สูงสุด
BLAKE3 (1KB)	255us	102us	238us	969us
ML-KEM keygen	9,052us	164us	8,986us	9,558us
ML-KEM encap	10,070us	11us	10,058us	10,146us
ML-KEM decap	12,197us	11us	12,192us	12,275us
XChaCha20 encrypt	243us	46us	235us	564us
BLAKE3 KDF	49us	60us	40us	472us
AWP frame enc+dec	363us	95us	346us	1,030us

เฟิร์มแวร์มีขนาดประมาณ 833KB และในขณะทำงานมีหน่วยความจำ heap ว่างอยู่ 157KB จาก SRAM ทั้งหมด 512KB นอกจากนี้เฟิร์มแวร์ยังผ่านการทดสอบความเสถียรด้วยการทำ fuzz test จำนวน 410,000 รอบ (ใช้ AddressSanitizer + UBSan) โดยไม่พบการ crash เลยแม้แต่ครั้งเดียว และผ่านการทดสอบแบบ single-bit flip จำนวน 100,000 ครั้ง ซึ่งสามารถตรวจจับข้อผิดพลาดได้ทั้งหมด อีกทั้งยังมีการรัน self-test จำนวน 13 รายการทุกครั้งที่บูตระบบ เพื่อยืนยันความถูกต้องและความปลอดภัยของเฟิร์มแวร์อีกด้วย

Aethyr ได้ทำการทดสอบโมดูล ESP32-S3-WROOM-1 ที่มาพร้อมกับ PSRAM ขนาด 8MB โดยใช้ NVIDIA Jetson Orin Nano Super เป็นจุดเชื่อมต่อ WiFi ความถี่ 2.4 GHz ซึ่งทำหน้าที่เป็นโหนดต้นทาง (upstream NODE) เฟิร์มแวร์นี้สามารถทำงานได้กับบอร์ด ESP32-S3 ทุกรุ่น และคุณสามารถเข้าไปดูโค้ด ตั้งค่า คอมไพล์ และแฟลชเฟิร์มแวร์ลงบนบอร์ดของคุณได้ตามขั้นตอนต่อไปนี้ (ต้องใช้ ESP-IDF เวอร์ชัน 5.4 ขึ้นไป) :

git clone https://github.com/aethyrai/esp32-awp-edge
cd esp32-awp-edge

# Configure WiFi and upstream node
idf.py menuconfig
# → AWP Edge Node Configuration
#   WiFi SSID / Password
#   Upstream host IP and port

idf.py build
idf.py -p /dev/ttyUSB0 flash monitor

git clone https://github.com/aethyrai/esp32-awp-edge

cd esp32-awp-edge

# Configure WiFi and upstream node

idf.py menuconfig

# → AWP Edge Node Configuration

# WiFi SSID / Password

# Upstream host IP and port

idf.py build

idf.py -p /dev/ttyUSB0 flash monitor

ผลลัพธ์ที่แสดงบนหน้าจอเทอร์มินัล:

Crypto Self-Test Suite
  [1] BLAKE3: empty input...                           PASS
  [2] BLAKE3: 251 sequential bytes...                  PASS
  [3] BLAKE3: derive_key (KDF mode)...                 PASS
  [4] XChaCha20-Poly1305: encrypt/decrypt round-trip...PASS
  [5] XChaCha20-Poly1305: tamper detection...          PASS
  [6] XChaCha20-Poly1305: wrong key rejection...       PASS
  [7] XChaCha20-Poly1305: nonce uniqueness...          PASS
  [8] ML-KEM-768: keygen + encap/decap round-trip...   PASS
  [9] ML-KEM-768: wrong secret key rejection...        PASS
  [10] INTEROP: BLAKE3 KDF matches Python...           PASS
  [11] INTEROP: decrypt Python-produced ciphertext...  PASS
  [12] AWP: frame encode/decode round-trip...          PASS
  [13] AWP: BLAKE3 checksum tamper detection...        PASS
  ALL 13 TESTS PASSED (226ms)

ML-KEM-768 keypair ready
WiFi connected
TCP connected to upstream
PQC session established

Crypto Self-Test Suite

[1] BLAKE3: empty input... PASS

[2] BLAKE3: 251 sequential bytes... PASS

[3] BLAKE3: derive_key (KDF mode)... PASS

[4] XChaCha20-Poly1305: encrypt/decrypt round-trip...PASS

[5] XChaCha20-Poly1305: tamper detection... PASS

[6] XChaCha20-Poly1305: wrong key rejection... PASS

[7] XChaCha20-Poly1305: nonce uniqueness... PASS

[8] ML-KEM-768: keygen + encap/decap round-trip... PASS

[9] ML-KEM-768: wrong secret key rejection... PASS

[10] INTEROP: BLAKE3 KDF matches Python... PASS

[11] INTEROP: decrypt Python-produced ciphertext... PASS

[12] AWP: frame encode/decode round-trip... PASS

[13] AWP: BLAKE3 checksum tamper detection... PASS

ALL 13 TESTS PASSED (226ms)

ML-KEM-768 keypair ready

WiFi connected

TCP connected to upstream

PQC session established

สามารถดูโค้ดและคำแนะนำได้บน GitHub แต่ยังมีปัญหาเล็กน้อย คือยังไม่พบอิมเมจระบบปฏิบัติการ (OS image) หรือซอฟต์แวร์สำหรับติดตั้งบนบอร์ด Jetson ดังนั้นในตอนนี้จึงยังไม่สามารถใช้งานได้อย่างเต็มประสิทธิภาพ นอกจากนี้โฟลเดอร์ Jetson และ Demo ที่มีการอ้างอิงไว้ในเอกสาร ยังไม่ได้ถูกอัปโหลดขึ้นไปบน GitHub อีกด้วย:

── jetson/
│   ├── setup-mesh-ap.sh       Create dedicated WiFi AP on Jetson
│   ├── stop-mesh-ap.sh        Stop mesh AP
│   └── aios-node.service      systemd service for AWP node
├── demo/
│   └── run_demo.py            Scripted 2-minute demo

── jetson/

│ ├── setup-mesh-ap.sh Create dedicated WiFi AP on Jetson

│ ├── stop-mesh-ap.sh Stop mesh AP

│ └── aios-node.service systemd service for AWP node

├── demo/

│ └── run_demo.py Scripted 2-minute demo

บางทีการนำระบบเข้ารหัสแบบ Post-Quantum นี้ไปใช้อาจสามารถเป็นพื้นฐานให้กับโปรเจกต์อื่น ๆ ที่ต้องการความทนทานต่อการโจมตีด้วยเทคโนโลยีควอนตัม (PQC-resistant) ได้ นอกจากนี้ยังมีบทความในบล็อกที่ให้รายละเอียดเพิ่มเติม (ลิงก์ผ่าน Internet Archive เพราะเว็บต้นทางเข้าไม่ได้จากไทย ยกเว้นใช้ VPN ของสหรัฐอเมริกา)

แปลจากบทความ : ESP32-S3 gets post-quantum encryption with Aethyr Edge Node open-source firmware