Kısa tamsayı çözüm problemi - Short integer solution problem

Kısa tamsayı çözümü (SIS) ve halka-SIS sorun iki ortalama-kullanılan durum problemleri kafes tabanlı şifreleme yapılar. Kafes tabanlı kriptografi, 1996 yılında Ajtai'nin ufuk açıcı bir çalışmasından başladı.[1] SIS problemine dayalı tek yönlü işlevler ailesini sunan. Ortalama bir durumda güvenli olduğunu gösterdi. en kısa vektör problemi (nerede bazı sabitler için ) en kötü senaryoda zordur.

Ortalama durum problemleri, rastgele seçilen bazı örnekler için çözülmesi zor olan problemlerdir. Kriptografi uygulamaları için, en kötü durum karmaşıklığı yeterli değildir ve kriptografik yapının ortalama durum karmaşıklığına dayalı olarak zor olduğunu garanti etmemiz gerekir.

Kafesler

Bir tam rütbe kafes bir dizi tamsayı doğrusal kombinasyonu doğrusal bağımsız vektörler , adlı temel:

nerede sütunlarında temel vektörleri olan bir matristir.

Açıklama: Verilen kafes için iki taban tek modlu matrisler var öyle ki .

İdeal kafes

Tanım: Rotasyonel vardiya operatörü açık ile gösterilir ve şu şekilde tanımlanır:

Döngüsel kafesler

Micciancio tanıtıldı döngüsel kafesler sözleşmeyi genelleme çalışmalarında sırt çantası sorunu keyfi halkalara.[2] Döngüsel bir kafes, rotasyonel kaydırma operatörü altında kapatılan bir kafestir. Resmi olarak, döngüsel kafesler aşağıdaki gibi tanımlanır:

Tanım: Bir kafes döngüseldir eğer .

Örnekler:[3]

  1. kendisi döngüsel bir kafestir.
  2. Bölüm polinom halkasındaki herhangi bir ideale karşılık gelen kafesler döngüsel:

bölüm polinom halkasını düşünün ve izin ver biraz polinom olmak yani nerede için .

Gömme katsayısını tanımlayın -modül izomorfizmi gibi:

İzin Vermek ideal olun. İdeale karşılık gelen kafes ile gösterilir , alt kafesi ve şu şekilde tanımlanır:

Teorem: döngüseldir ancak ve ancak bazı ideallere karşılık gelir bölüm polinom halkasında .

kanıt: Sahibiz:

İzin Vermek keyfi bir unsur olmak . Sonra tanımlayın . Ama o zamandan beri bir ideal, bizde . Sonra, . Fakat, . Bu nedenle döngüseldir.

İzin Vermek döngüsel bir kafes olabilir. Bu nedenle .

Polinom kümesini tanımlayın :

  1. Dan beri bir kafes ve dolayısıyla ilave bir alt grup , katkı maddesi alt grubudur .
  2. Dan beri döngüseldir .

Bu nedenle bir idealdir ve sonuç olarak, .

İdeal kafesler[4][5]

İzin Vermek derece monik bir polinom olmak . Kriptografik uygulamalar için, genellikle indirgenemez olarak seçilir. Tarafından üretilen ideal dır-dir:

Bölüm polinom halkası bölümler en fazla derece polinomlarının denklik sınıflarına :

toplama ve çarpmanın azaltıldığı yerde modulo .

Gömme katsayısını düşünün -modül izomorfizmi . Sonra her ideal bir alt kafesi tanımlar aranan ideal kafes.

Tanım: bir ideale karşılık gelen kafes ideal kafes denir. Daha doğrusu, bölüm polinom halkasını düşünün , nerede bir derece ile üretilen ideal polinom . , alt kafesi ve şu şekilde tanımlanır:

Açıklama:[6]

  1. Şekline dönüştü küçük bile ideal kafeslerde tipik olarak kolaydır. Buradaki sezgi, cebirsel simetrilerin bir idealin minimum mesafesinin dar, kolayca hesaplanabilir bir aralık içinde olmasına neden olduğudur.
  2. İdeal kafeslerde sağlanan cebirsel simetrilerden yararlanarak, kısa bir sıfır olmayan vektörü doğrusal olarak bağımsız (neredeyse) aynı uzunlukta olanlar. Bu nedenle ideal kafeslerde, ve küçük bir kayıpla eşdeğerdir.[7] Ayrıca kuantum algoritmaları için bile ve en kötü senaryoda çok zordur.

Kısa tamsayı çözüm problemi

SIS ve Ring-SIS iki ortalama Kafes tabanlı kriptografi yapılarında kullanılan durum problemleri. Kafes tabanlı kriptografi, 1996 yılında Ajtai'nin ufuk açıcı bir çalışmasından başladı.[1] SIS problemine dayalı tek yönlü işlevler ailesini sunan. Ortalama bir durumda güvenli olduğunu gösterdi eğer (nerede bazı sabitler için ) en kötü senaryoda zordur.

SISn,m,q,β

İzin Vermek fasulye girişleri olan matris oluşur tekdüze rastgele vektörler : . Sıfır olmayan bir vektör bulun öyle ki:

Çözümün uzunluğu üzerinde gerekli kısıtlama olmaksızın SIS'e bir çözüm () kullanılarak hesaplanması kolaydır Gauss elimine etme tekniği. Biz de gerekli , aksi takdirde önemsiz bir çözümdür.

Garanti etmek için önemsiz olmayan, kısa bir çözüme sahip, ihtiyacımız var:

  • , ve

Teorem: Herhangi , hiç ve yeterince büyük (herhangi bir sabit için ), çözme ihmal edilemez olasılıkla en az çözmek kadar zordur. ve bazı en kötü senaryoda yüksek olasılıkla.

Ring-SIS

SIS probleminin kompakt halka tabanlı bir analoğu olan Ring-SIS problemi üzerinde çalışılmıştır.[2][8] Bölüm polinom halkasını düşünüyorlar ile ve sırasıyla ve tanımını genişletir norm içindeki vektörlerde içindeki vektörlere aşağıdaki gibi:

Bir vektör verildiğinde nerede bazı polinomlar . Gömme katsayısını düşünün -modül izomorfizmi :

İzin Vermek . Norm tanımla gibi:

Alternatif olarak, norm için daha iyi bir fikir, kanonik yerleştirme. Kanonik yerleştirme şu şekilde tanımlanır:

nerede ... karmaşık kök için .

R-SISm,q,β

Bölüm polinom halkası verildiğinde , tanımlamak

. Seçiniz bağımsız tekdüze rasgele elemanlar . Vektörü tanımla . Sıfır olmayan bir vektör bulun öyle ki:

SIS sorununa bir çözümün varlığını garanti etmek için, . Bununla birlikte, Ring-SIS problemi bize daha fazla kompaktlık ve etkinlik sağlar: Ring-SIS problemine bir çözümün varlığını garanti etmek için, .

Tanım: nega-dolaşım matrisi nın-nin olarak tanımlanır:

Bölüm polinom halkası olduğunda için halka çarpımı ilk şekillendirme ile verimli bir şekilde hesaplanabilir , nega dolanım matrisi ve sonra çarparak ile , gömme katsayısı vektörü (veya alternatif olarak , kanonik katsayı vektörü).

Ayrıca, R-SIS problemi, matrisin SIS probleminde negatif bloklarla sınırlıdır: .[9]

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ a b Ajtai, Miklós. [Kafes problemlerinin zor örneklerinin üretilmesi.] Hesaplama Teorisi üzerine yirmi sekizinci yıllık ACM sempozyumunun bildirileri. ACM, 1996.
  2. ^ a b Micciancio, Daniele. [En kötü durum karmaşıklığı varsayımlarından genelleştirilmiş kompakt sırt çantaları, döngüsel kafesler ve verimli tek yönlü işlevler.] Bilgisayar Biliminin Temelleri, 2002. Proceedings. 43. Yıllık IEEE Sempozyumu. IEEE, 2002.
  3. ^ Fukshansky, Lenny ve Xun Sun. [Döngüsel kafeslerin geometrisi üzerine.] Ayrık ve Hesaplamalı Geometri 52.2 (2014): 240–259.
  4. ^ Craig Gentry. İdeal Kafesleri Kullanarak Tamamen Homomorfik Şifreleme. İçinde 41. ACM Sempozyumu Bilgi İşlem Teorisi (STOC), 2009.
  5. ^ http://web.cse.ohio-state.edu/~lai/5359-aut13/05.Gentry-FHE-concrete-scheme.pdf
  6. ^ Peikert, Chris. [On yıllık kafes şifreleme.] Cryptology ePrint Archive, Report 2015/939, 2015.
  7. ^ Peikert, Chris ve Alon Rosen. [Döngüsel kafesler üzerindeki en kötü durum varsayımlarından etkili çarpışmaya dirençli hashing.] Kriptografi Teorisi. Springer Berlin Heidelberg, 2006. 145–166.
  8. ^ Lyubashevsky, Vadim, vd. [SWIFFT: FFT hashing için mütevazı bir öneri.] Hızlı Yazılım Şifreleme. Springer Berlin Heidelberg, 2008.
  9. ^ Langlois, Adeline ve Damien Stehlé. [Modül kafesleri için en kötü durumdan ortalama duruma indirimler.] Tasarımlar, Kodlar ve Şifreleme 75.3 (2015): 565–599.