CCA安全的抗连续泄露的广播密钥封装机制

传统公钥基础设施中的证书复杂管理和身份基密码体制中的密钥托管等问题在基于证书的密码体制下得到了很好的解决,因此无证书密码体制近年来得到了广泛关注.此外,在现实应用中,攻击者基于冷启动、边信道等各种各样的泄露攻击获得密码机制内部敏感状态(如秘密钥等)的泄露信息,导致在传统理想模型下被证明安全的密码机制不再具有相应的安全性.此外,由于广播通信模式具有较高的消息通信效率,多个具有广播通信功能的密码原语相继被提出.针对基于证书密钥封装机制对泄露容忍性和广播通信等性能的需求,提出抗泄露的基于证书的广播密钥封装机制的实例化构造,并基于判定的Diffie-Hellman困难性假设对其选择密文攻击下的安全性进行了证明.此外,为进一步增强该构造的实用性,研究了广播密钥封装机制的连续泄露容忍性,通过定期更新用户密钥的方式实现了对连续泄露攻击的抵抗目标.与现有工作的分析对比表明,该构造在保证安全性可证明的基础上,不仅实现了抵抗泄露攻击和广播通信的功能,而且拥有较高的计算效率.

具有多接收者的抗泄露匿名密钥封装机制

基于证书的密码体制在继承传统公钥基础设施和身份基密码体制优势的同时,避免了证书管理和密钥托管等不足.为了向基于证书的密钥封装机制提供匿名性和抗泄露攻击的能力,本文提出具有多接收者的抗泄露匿名密钥封装机制的形式化定义及抵抗泄露攻击的安全模型,并给出具体的实例化构造;同时基于判定的Diffie-Hellman假设的困难性,对上述实例泄露容忍的选择明文攻击安全性进行了证明.与现有相关构造相比,本文方案不仅具有匿名性、泄露容忍性和多接收者等更优的性能,而且当为多个用户生成封装密钥时具有更优的计算效率.

NIST抗量子密码标准候选算法中基于格的公钥加密与密钥封装机制介绍

基于格的后量子密码方案在安全性、密钥尺寸和运算速度等方面相较于其他方案都有一定优势,被认为是最有潜力的后量子密码方案.本文综述了美国国家标准技术研究所发起的后量子密码竞赛中所有基于格的公钥加密方案与密钥封装机制,从方法论以及困难性假设的角度进行分类,详细介绍了各自的设计思路与细节.针对重点算法KYBER、SABER、FrodoKEM、LAC、NewHope以及基于NTRU的算法,从底层设计、参数选择、性能对比等方面进行全面比较.总结了竞赛最新进展并分析了目前设计方案需要注意的问题,介绍了未来后量子密码方案设计潜在的发展方向.

支持多密文批量审计的解密外包SM9-HIBE密钥封装机制

SM9-HIBE密钥封装机制的解密操作需要2次双线性配对运算,在设备算力受限且需对大规模信息资源进行高频解密时,配对运算的高额计算开销会束缚系统的有效部署。为此,基于SM9-HIBE提出了一种支持解密外包和多密文批量审计的新型密钥封装机制OASM9-HIBE,并利用Fujisaki-Okamoto转换技术在随机谕言模型下证明了OASM9-HIBE具备RCCA安全性。OASM9-HIBE将计算繁重的双线性配对运算全部安全外包至算力强大的云端,第k层用户只需执行一次简单的指数运算即可完成最终解密,有效提升了原SM9-HIBE的解密效率,OASM9-HIBE同时运用密钥盲化技术实现了多份转换密文的高效批量审计功能,从而拓展了SM9系列算法的应用领域。

带标签的基于证书密钥封装机制

基于证书加密方案通常将消息空间限制于某个特殊的群并且不适合大块消息加密.为了解决这一问题,将带标签的密钥封装机制引入到基于证书系统中,提出了带标签的基于证书密钥封装机制的形式化定义及安全模型.在此基础上构造了一个带标签的基于证书密钥封装方案,并证明了该方案在随机预言模型下是自适应选择密文不可区分的.

无证书体制下的多接收者签密密钥封装机制

无证书签密密钥封装机制(CLSC-KEM)与数据封装机制共同构成无证书混合签密方案。该文提出一个新的概念:无证书体制下的多接收者签密密钥封装机制(mCLSC-KEM)。给出了mCLSC-KEM的定义以及安全模型,并构造了一个具体的方案。该方案比一般性构造(对每个接收者分别运行CLSC-KEM)高效很多,其密钥封装仅需计算1个双线性对,且对应的数据封装仅需运行1次对称加密,而一般性构造需计算n个双线性对和n次数据封装(设n个接收者)。在随机预言模型下,基于Gap双线性Diffie-Hellman问题,该文的方案是可证明安全的。

标准模型下格上的密钥封装机制

密钥封装机制(key encapsulation mechanism,KEM)使得会话双方能够安全地共享一个随机的会话密钥,改善了使用公钥加密明文时空间受限的问题,是大规模网络中密钥分发和密钥管理问题的有效解决方案之一。提出一种标准模型下安全高效的格上的密钥封装机制,将陷门函数与带误差学习问题(learning with errors,LWE)算法相结合,并引入参与者的身份信息,保证密钥封装机制的机密性和可认证性,可抵抗现有已知量子算法攻击。采用密文压缩技术,对封装后的密文元素进行压缩,分析结果表明,能够有效提高传输效率。在标准模型下,该机制安全性归约至判定性LWE的难解性,并包含严格的安全性证明。其安全性为可证明的选择密文安全,适用于多种类型基于格的密钥交换协议方案。

标准模型下高效安全的基于证书密钥封装机制

基于证书密码体制有机结合了传统公钥密码体制和基于身份密码体制,不仅克服了基于身份密码体制固有的密钥托管和密钥分发问题,而且简化了传统公钥基础设施中复杂的公钥证书管理,是一种颇受关注的新型公钥密码体制.基于证书密钥封装机制,将密钥封装机制与基于证书密码体制相结合,具备基于证书密码体制的优良特性.基于双线性对,提出了一个高效的并且可证明安全的基于证书密钥封装机制方案.在标准模型下基于判定性截断q-ABDHE问题和判定性1-BDHI问题的困难性,该方案被证明满足适应性选择密文攻击下的不可区分安全性,即满足选择密文安全性.与已有的标准模型下安全的基于证书密钥封装机制方案相比,该方案具有更高的计算效率和更低的通信带宽要求.

一种基于身份和密钥封装机制的加密方案

提出一个基于身份和密钥封装机制的加密方案,采用对称加密技术实现信息的高效加密解密,利用基于身份的密码算法传递对称密钥。该方案扩展了标准模型下可证明安全的选择密文攻击的加密方案,其安全性规约为判定性Diffie-Hellman假设。分析结果表明,该方案对抵抗自适应选择密文攻击是不可区分的。

抗泄露的(分层)身份基密钥封装机制

在真实应用环境中,冷启动、边信道等物理攻击方式的出现,使得敌手能够获得参与者内部私有状态的泄露信息,从而导致传统可证明安全的密码机制在有泄露的环境下已无法继续保持其原有的安全性,因此更多的密码学研究者开始致力于抗泄露密码机制的研究.混合加密技术同时具备了对称加密和非对称加密的优势,由于身份基密钥封装机制(Identity-Based Key-Encapsulation Mechanism,IB-KEM)是身份基混合加密机制的重要组成部分,近年来得到了广泛关注.为满足真实环境的抗泄露性需求,抗泄露IB-KEM被提出;然而现有的构造在计算、传输和存储等方面均存在不足.针对上述不足,本文提出了选择密文攻击(Chosen-Ciphertext Attacks,CCA)安全的抗泄露IB-KEM的通用构造,并基于底层IB-KEM的选择明文攻击(Chosen-Plaintext Attacks,CPA)安全性对通用构造的CCA安全性进行了形式化证明.此外,为展示本文通用构造的实用性及普遍性,分别设计了 IB-KEM和分层身份的身份基密钥封装机制(Hierarchical Identity-Based Key-Encapsulation Mechanism,HIB-KEM)的具体实例,并在选择身份的安全模型下,基于判定的双线性Diffie-Hellman假设和双线性Diffie-H ellman指数假设对本文实例的CPA安全性分别进行了证明.最后,为了实现抵抗连续泄露攻击的目标,本文研究了各实例的密钥更新算法.相较于已有CCA安全的抗泄露IB-KEM,本文构造在计算、传输和存储等方面具有一定的优势.

用密钥封装机制实现IPSec密钥建立

提出在网络层的安全协议IPSec中引入密钥封装机制(KEM),通过密钥传输实现IPSec密钥建立。在目前基于密钥交换的IKEv2协议之外,提供了另一种密钥建立的方法。对所给协议的分析表明,在同样需要交换证书进行消息认证的情况下,KEM密钥传输协议与IKEv2协议同样安全,并且更加有效。

标准模型下安全的基于证书密钥封装方案

混合加密是将公钥加密与对称加密结合的一种加密技术.将密钥封装机制引入到基于证书加密方案中,提出了基于证书密钥封装机制的形式化定义及安全模型,构造了一个基于证书密钥封装方案.基于判定双线性Diffie-Hellman困难问题假定,在标准模型下证明提出的方案是自适应选择密文安全的.

格上基于KEM的认证密钥交换协议

针对现有认证密钥交换协议计算复杂度高且无法抵抗量子攻击的问题,提出一种格上基于R-LWE问题的认证密钥交换协议。将基于R-LWE问题构造的KEM方案与带消息恢复功能的数字签名算法相结合实现认证性,并使用加密的构造方法代替Peikert式错误协调机制,获取随机均匀的会话密钥。分析结果表明,与BOS等人设计的协议相比,该协议计算复杂度较低,可大幅减少通信量,并且能够有效抵抗量子攻击。

基于LPN困难问题的后量子安全密钥封装

选择密文攻击下的不可区分(Indistinguishability against Chosen Ciphertext Attack,IND-CCA)安全的密钥封装机制可以由选择明文攻击下的不可区分(Indistinguishability against Chosen Plaintext Attack,IND-CPA)或者选择明文攻击下的单向(One-Wayness against Chosen Plaintext Attack,OW-CPA)安全的公钥加密方案使用FO(Fujisaki-Okamoto)变换得到,并在随机预言机模型(Random Oracle Model,ROM)下是安全的。截止目前,并没有一个基于LPN(Learning Parity with Noise)问题的密钥封装机制能在标准模型下达到选择密文攻击(Chosen Ciphertext Attack,CCA)安全。以双陷门技术回答敌手的解封装询问,以抗第二原像哈希函数检测方案中密文的有效性,由此可得出首个基于LPN在标准模型下达到CCA安全的密钥封装机制的直接构造,其密钥通过特殊LPN问题构造,并不依赖随机预言机。通过一系列的游戏和相邻游戏间的安全规约,可证明该密钥封装机制在量子算法的攻击下是CCA安全的。

Aigis密钥封装算法多平台高效实现与优化

量子计算技术快速发展带来的新挑战使得后量子密码(post-quantum cryptography,PQC)成为当前密码学界研究热点.基于格的密码方案因其安全高效的特性,已经成为后量子公钥密码的主流之一.Aigis密钥封装算法(Aigis-enc)是我国学者自主设计的基于模格上非对称错误学习(A-MLWE)问题的后量子密码算法,是中国密码学会举办的全国密码算法设计竞赛公钥密码算法一等奖获奖算法之一.为了应对量子攻击,维护国家网络空间的长远安全,为未来国家后量子密码算法标准的制定和实际部署贡献力量,对我国自行研发的优秀后量子密码算法进行优化具有重要意义.工作重点关注Aigis-enc算法在不同平台的实现优化,包含高性能平台的快速并行实现与嵌入式低功耗平台的紧凑实现.具体而言,运用单指令多数据流(single instruction multiple data,SIMD)指令,充分优化了Aigis-enc现有AVX2实现,并提供了其首个ARM Cortex-M4平台的轻量级紧凑实现.实现包含4个关键优化点:降低Montgomery约减与Barrett约减汇编指令数目,提升了约减效率;使用裁剪层数的数论变换并优化指令流水调度,加速多项式乘法运算并减少了预计算表存储需求;提供了多项式序列化与反序列化的并行汇编指令实现,加快了编码解码与加解密过程;结合on-the-fly计算与空间复用优化算法存储空间.实验结果表明:提出的优化技术在8核Intel Core i7处理器上可将Aigis-enc算法原始AVX2实现提升25%,且大幅减少了其在ARM Cortex-M4平台的预计算表存储、代码尺寸与运行堆栈占用,对算法的实际应用有重要现实意义.

适应性安全的离线证据加密

离线证据加密通过将复杂的计算移到初始化算法提升加密算法的效率,相比证据加密具有更广泛的应用.然而,已有的离线证据加密方案大多满足选择安全性,即敌手在得到公共参数之前必须输出一对挑战明文(m0,m1)和一个命题实例x.Chvojka等人通过引入可穿孔加密构造了半适应安全的离线证据加密方案,该安全性允许敌手适应性选择挑战密文,但是敌手得到公共参数(ppe,ppd)之前需要输出挑战密文对应的命题实例x,将构造完全适应安全的离线证据加密方案作为“Open Problem”提了出来.首次构造了满足完全适应安全的离线证据加密方案.初始化算法输出一对公共参数(ppe,ppd),其中加密密钥ppe包含两个公钥,一个公共参考串和一个承诺,解密密钥ppd是一个混淆电路.该算法只需运行一次,公共参数可以使用任意多次.加密算法利用密钥封装机制和证据不可区分证明系统构造一个Naor-Yung形式的密文.通过提前选定封装的密钥解决在选择安全性中敌手需要提前输出挑战明文的问题.另外,所提构造可以直接转化为适应性安全的离线函数证据加密,密钥生成阶段将函数f嵌入到解密私钥中,可以实现针对函数f解密私钥的可重复使用.

高效无证书混合签密

无证书混合签密能够处理无证书体制下任意长度的消息,而普通的无证书签密则不能处理.指出Selvi等人提出的攻击是不成立的,并构造了一个新的无证书混合签密方案.与现有方案相比,该方案具有密文长度短、计算速度快的优点,因此更适用于带宽窄、计算资源少的通信环境,如ad hoc网络.在随机预言模型和双线性Diffie-Hellman困难性假设条件下,该方案可证明是安全的.

抗泄露的无证书密钥封装机制及应用

泄露攻击的出现,导致在传统理想安全模型下已证明安全的密码机制在实际应用中不再保持其所声称的安全性;并且现有基于双线性映射构造的抗泄露无证书密钥封装机制(certificateless keyencapsulation mechanism,CL-KEM)的计算效率较低.针对上述不足,在不使用双线性映射的前提下本文设计了抗连续泄露的CL-KEM,并基于经典的判定性Diffie-Hellman假设对构造的安全性进行形式化证明.在我们的CL-KEM实例中,封装密文的所有元素对敌手而言是随机的,确保任意敌手均无法从封装密文中获知关于用户私钥的泄露信息;并且泄露参数是固定的常数,不受封装密钥空间大小的限制.为了进一步增强CL-KEM的抗泄露攻击的能力,本文构造了一个泄露量达到l_(sk)(1-O(1))的新颖抗泄露CL-KEM,其中l_(sk)表示私钥的长度,分析表明该机制在具有上述优势的同时,将抵抗泄露攻击的能力提升到最佳.最后,基于抗泄露CL-KEM提出抗泄露无证书混合加密机制和抗泄露无证书密钥协商协议的通用构造方法.

新的无证书混合签密

在已有无证书签密的基础上,将tag-KEM(tag-key encapsulation mechanism)技术引入到无证书公钥密码体制中,实现了一种无证书的tag-KEM签密方案,与DEM相结合,可构成无证书的混合签密方案,并在随机预言模型下证明了该混合签密方案是安全的。该方案的对运算比Li Fa-gen的无证书混合签密方案的对运算少一次,效率更高。

标准模型下非基于双线性对的非交互门限密钥封装机制

现有的高安全门限密码方案都是基于双线性配对实现的，由于双线性对的计算需要耗费大量的资源，这些方案在资源受限的环境下很不实用。因此，构造非基于双线性对密码方案是一件非常有意义的工作。带符号的二次剩余类群具有同双线性对类似的优良性质，可以用来构造门限密码方案。在带符号的二次剩余类群中，利用投影公钥技术，构造了一个非交互的门限密钥封装机制。该方案在因子分解困难问题假设下，具有自适用选择密文攻击安全性。由于避免了耗时的双线性对运算，方案具有较高的效率，可应用于资源受限的网络环境中。