标准模型下网关口令认证密钥交换协议的通用框架

网关口令认证密钥交换协议允许用户和网关在服务器的协助下建立起一个共享的会话密钥.网关口令协议适用于无线通信环境,如GSM和3GPP等.已有的网关口令认证密钥交换协议大多缺乏严格的安全证明,或者是在随机预言模型下证明安全的.该文采用模块化的设计方法提出了在标准模型下构造网关口令协议的通用框架.通用框架可以实现双向认证并且能够抵抗不可检测在线字典攻击,因此具有更强的安全性.利用DDH假设、二次剩余假设和N次剩余假设对通用框架进行实例化可以得到不同的标准模型下可证明安全的网关口令协议.

标准模型下高效的三方口令认证密钥交换协议

三方口令认证密钥交换协议允许两个分别与服务器共享不同口令的用户在服务器的协助下建立共享的会话密钥,从而实现了用户间端到端的安全通信.现阶段,多数的三方口令认证密钥交换协议都是在随机预言模型下可证明安全的.但在实际应用中,利用哈希函数对随机预言函数进行实例化的时候会给随机预言模型下可证明安全的协议带来安全隐患,甚至将导致协议不安全.以基于El Gamal加密的平滑投射哈希函数为工具,在共同参考串模型下设计了一种高效的三方口令认证密钥交换协议,并且在标准模型下基于DDH假设证明了协议的安全性.与已有的同类协议相比,该协议在同等的安全假设下具有更高的计算效率和通信效率,因此更适用于大规模的端到端通信环境.

基于格的两方口令认证密钥交换协议

口令认证密钥交换协议能使共享低熵的通信方在开放的网络中建立安全的会话密钥,基于Gorce-Katz框架提出了基于格的两方口令认证密钥交换(password-based authenticated key exchange,2PAKE)协议,协议采用具有近似平滑投射哈希函数(approximate smooth projective Hash,ASPH)性质的选择明文攻击(chosen plaintext attack,CPA)安全的和带有标签的选择密文攻击(chosen ciphertext attack,CCA)安全的密码体制,利用平滑投射函数的纠错性生成随机参数,通过伪随机函数计算会话密钥;与同类协议相比,该方案降低客户端密钥长度,减少服务器端投射密钥的生成次数,具有较高的效率以及完美前向安全性,在抵抗量子攻击的同时可实现显式双向认证.

基于双服务器PEKS框架的高效云存储系统

为降低云存储用户成本并提高安全云存储效率,设计了一种多用户并发的云存储系统,提出基于双服务器关键字搜索的公钥加密(Public Key Encryption with Keyword Search,PEKS)搜索框架.设计的云存储系统通过存储引擎动态策略可以在多种存储方法之间自由切换,使用硬件负载平衡、中间缓冲和First-move First-failure策略来应对大量用户访问,提高请求响应率和系统稳定性;并行Master/Workers模式有效处理单个大文件请求,通过令牌机制进行文件传输恢复和并发传输.所提的双服务器PEKS搜索框架通过设计的线性同态平滑投影hash函数,使得所提搜索框架具有更高的安全性,解决传统PEKS的安全漏洞.实验结果表明,所提方案可以防止内部关键字猜测攻击,且其平均响应时间和计算效率优于现有其他方案.

基于验证元的三方口令认证密钥交换协议

三方口令认证密钥交换协议使2个分别与可信服务器共享不同口令的用户建立起秘密的会话密钥.这类协议的优点是用户只需要记忆一个口令就可以与其他注册用户进行通信,因而三方口令认证密钥交换协议更适用于大规模的端到端通信.现有的大多数三方口令认证密钥交换协议均基于随机谕言模型来实现,只有少数协议不依赖服务器拥有公钥,而且在标准模型下是可证明安全的.另外多数协议中的口令以明文的形式存储在服务器上,服务器信息泄露将对用户和服务器的数据安全带来极大的危害.在标准模型下,使用平滑投影Hash函数设计了一个基于验证元的三方口令认证密钥交换协议,并证明了协议的安全性.此协议满足抵抗服务器泄露、不可检测的在线字典攻击和密钥私密性等安全属性.

格上基于密文标准语言的可证明安全两轮口令认证密钥交换协议

降低口令认证密钥交换(Password-based Authenticated Key Exchange,PAKE)协议的通信轮次和安全性假设是格上PAKE协议的重要优化方向.平滑投射哈希函数(Smooth Projective Hash Function,SPHF)是构造PAKE协议的重要数学工具,但现有的基于格的SPHF多不能在超多项式模数下应用.为此,本文提出了两种格上基于密文标准语言的SPHFs,在不增加通信开销和存储开销的前提下解决了上述问题.基于上述SPHFs,本文提出了一种基于格的可证明安全的两轮PAKE协议,该协议可以抵抗量子攻击,在不需要零知识证明和随机预言机的前提下,降低了协议通信轮次和安全性假设;本文还基于更加准确的标准安全模型对所提出的协议进行了严格的安全性证明.实验证明,本文提出的协议具有更优的通信轮次复杂度、计算开销、安全性假设和实际安全性.

可证明安全的抗量子两服务器口令认证密钥交换协议

针对基于格的单服务器口令认证密钥交换(PAKE)协议不能抵抗服务器泄露攻击,而目前基于格的多服务器PAKE协议的执行效率较低且不适用于两服务器场景的问题,利用带误差学习(LWE),提出了格上第一个非适应性两方平滑投影哈希函数(SPHF),具备不可区分适应性选择密文攻击(IND-CCA2)的安全性,并约束了所基于的公钥加密(PKE)方案中相关参数的大小。基于此,分别针对被动和主动敌手的攻击,提出了相应的格上可证明安全的两服务器PAKE协议。所提出的2个协议可抵御量子攻击且实现了唯口令设置,也不需要使用签名/验签、全同态加密、秘密共享等昂贵密码原语来保证安全性,被动敌手攻击下的协议还避免了零知识证明的使用。此外,在标准模型下,对所提出的2个协议进行了严格的安全性证明。实验结果表明,所提出的两方SPHF和两服务器PAKE协议的执行效率较高。

基于平滑投影散列函数的匿名凭证系统

匿名凭证系统和假名系统都是实现匿名认证的重要工具,但目前为止,这两种系统的经典构造方案在实际应用中仍有局限。对于属性公开的应用场景,经典的匿名凭证系统过于复杂,效率太低。假名系统虽然简单易用,但是其可关联性会泄露用户的行为习惯等隐私,都不适用于此类场景。针对该类应用场景,基于平滑投影散列函数构造一个匿名系统,可以实现属性公开条件下的凭证证明,在实现用户属性认证的同时实现会话密钥传输。用户只需要常数次的计算,并且可以规约到经典的安全性假设,在这种场景中具有更强的实用性。

可证明安全的抗量子高效口令认证密钥交换协议

基于格的口令认证密钥交换(Password-Authenticated Key Exchange,PAKE)协议在后量子时代具有广泛的应用前景.降低通信轮次可以有效提高执行效率,也是格上PAKE协议的重要优化方向.现有基于格的低轮次PAKE协议的构建方法主要有两种:一种是基于非交互式零知识(Non-Interactive Zero-Knowledge,NIZK)证明,但在标准模型下如何在格上实现NIZK证明仍然是公开问题;另一种虽然宣称基于不可区分适应性选择密文攻击(Indistinguishability under Adaptive Chosen-Ciphertext Attack,IND-CCA2)的安全模型,但实际上只采用了不可区分性选择密文攻击(Indistinguishability under Chosen-Ciphertext Attack,IND-CCA1)安全的公钥加密(Public Key Encryption,PKE)方案,该类PAKE协议在现实应用时需要利用签名/验签等技术才能保证安全性.这两种方法都会增加计算和通信开销.为此,本文利用带误差学习(Learning with Errors,LWE)问题的加法同态属性,提出了一种格上IND-CCA2安全的非适应性平滑投影哈希函数(Smooth Projective Hash Function,SPHF),该函数支持一轮PAKE协议的构造;并确定了所基于的PKE方案中相关参数的大小,从而消除了LWE问题的不完全加法同态属性对SPHF正确性的影响.尽所知,这是格上第一个直接基于IND-CCA2安全模型的非适应性SPHF,且该SPHF具有相对独立的研究价值,可应用于证据加密、零知识证明和不经意传输等领域.基于此,本文构建了一种格上可证明安全的高效PAKE协议.该协议可以抵御量子攻击;只需要一轮通信,因而具有最优的通信轮次;是基于标准模型,所以避免了使用随机预言机的潜在安全威胁,特别是使用随机预言机可能导致格上PAKE协议遭受离线口令猜测攻击和量子攻击;在实际应用时,该协议也不需要利用NIZK证明和签名/验签等技术来保证安全性,这有效提高了执行效率.本文还利用人人网474万口令数据验证了基于CDF-Zipf定律的PAKE协议安全模型可以更加准确地评估PAKE协议所提供的安全强度;最后基于该安全性模型,本文在标准模型下对所提出的PAKE协议进行了严格的安全性证明.实验结果表明,与其它相关协议相比,本文协议具有最优的整体执行效率和最低的通信开销.

基于DDH假设和d-线性假设的平滑投影散列

给出了两个新的平滑投影散列的构造,这两个平滑投影散列输入语言是由两个基于有损陷门函数的CCA2安全公钥加密体制定义的,其中一个有损陷门函数是基于DDH假设构造的,另一个是基于d-线性假设构造的.

基于格的口令散列方案

在可预见的未来,口令仍将是最主要的身份认证方法.口令认证密钥交换协议(password authenticated key exchange, PAKE)是口令认证的重要组成部分,它允许通信双方在不安全的通话信道上建立一个安全的会话密钥.为了缓解服务器被入侵后对存储在服务器上口令的影响,将口令散列之后再存储被广泛推荐,例如使用传统的口令散列函数,如PBKDF2, Bcrypt,和Scrypt.然而,这些口令散列函数依赖复杂的数学问题,安全性证明建立在随机预言机模型(random oracle model,ROM)之上,且需要较大内存支持.为解决上述问题,基于离散对数假设的口令散列方案陆续被提出,如Benhamouda-Pointceva方案(IACR ePrint2013/833)、Kiefer-Manulis方案(ESORICS’14)、Pointcheval-Wang方案(ASIACCS’17)与平滑投影散列函数(smooth projective hash function, SPHF)集成,但这些方案无法实现后量子安全且仍依赖于ROM模型.因此,本文着重研究如何在标准模型下设计后量子安全的口令散列方案,并给出可证明安全性分析.尽管所提方案尚不能应用于实际,但为构造实际的后量子安全的口令认证及密钥交换协议奠定了基础.