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定义Definition

计算安全

Computational security

仅要求任何资源受限攻击者的成功优势足够小的安全概念。

形式陈述 ​

计算安全性必须相对一个完整定义的安全实验陈述。实验至少要固定:安全参数 λ 索引的方案族;setup 或 key generation 如何生成公开参数、密钥与挑战;攻击者的输入、辅助信息、oracle 接口与查询数;胜利事件;以及优势相对哪个基线计算。正确性是另一个性质,应以独立的输入与随机性量词陈述,不能由安全实验代替。

固定这些数据后,密码方案具有计算安全性,通常指对每个概率多项式时间攻击者 A,其优势

AdvΠ,A(λ)

都是关于 λ 的可忽略函数。量词次序是

∀A∈PPT, ∃μA negligible,AdvΠ,A(λ)≤μA(λ)

对充分大的 λ 成立。PPT 应说明采用 uniform 还是 nonuniform 模型;后者可允许每个参数长度有多项式大小建议串或电路。“对所有 PPT 对手的优势可忽略”只是在实验接口已完全确定后才有意义的性质,不是独立于游戏的抽象口号。

直觉

计算安全不要求密文在信息论上毫无泄漏,也不要求攻击成功概率严格为零;它要求任何可抽象为多项式时间算法的攻击者,都不能获得随安全尺度增长仍非可忽略的优势。攻击者代码可任意固定,但运行时间和查询数必须由参数的多项式界定。具体安全还关心数值损失:归约转换攻击优势和时间时,松散因子会直接影响所需密钥长度。

PPT 对手与可忽略优势
例子与边界

计算安全只要求多项式时间对手的优势可忽略,允许信息论上存在但计算上不可行的区分;完美保密要求密文与消息在分布上完全独立,不限制对手算力。后者更强,也通常付出密钥长度等结构代价。

“足够小”必须随参数判断 ​

一次穷举 2λ 个密钥的攻击可能成功,却不是多项式时间攻击,因而不否定计算安全。另一方面,优势 1/λ100 虽趋于零,却不满足定义:选择比较界 1/λ101,前者对每个 λ>1 都更大。定义要求胜过每个逆多项式,而不是只胜过某个预先选定的阈值。

若攻击成功率仅比随机猜测高 2−λ,该优势可忽略;固定 2−80 虽在工程上很小,却作为关于 λ 的常数并不可忽略,因为最终会大于 1/λc。设归约给出 AdvΠ,A≤qAdvF,B+δ。若底层优势至多 2−100、q=220、模拟误差 δ≤2−90,上界便是 2−80+2−90,不是 2−100。渐近上,多项式 q(λ) 乘可忽略函数仍可忽略,但固定参数下不能省略这个因子。

“目前没人破解”不是形式证明;必须给出攻击游戏与量词。多项式时间模型也不涵盖侧信道、实现 bug 或量子攻击,除非相应地扩展攻击者能力和困难假设。

推论与应用

计算安全把统一的实验语言与“所有 PPT 对手的优势可忽略”这一量词结合起来,支持归约证明:若攻击方案可构造出破解底层假设的高效算法,则底层困难性推出方案安全。结论只覆盖实验允许的攻击能力,不能自动扩展到选择密文、侧信道或密钥泄漏模型。

可忽略函数 描述残余优势,不可区分性 是常见安全游戏形式,混合论证 用多步替换累积优势。单向函数、伪随机性、加密和签名都在这一框架下通过归约组织。

参考资料
  • Jonathan Katz and Yehuda Lindell, Introduction to Modern Cryptography, 3rd ed., CRC Press, 2020,Chs. 3–4。
  • Oded Goldreich, Foundations of Cryptography, Vol. 1, Cambridge University Press, 2001,Chs. 1–2。
  • Dan Boneh and Victor Shoup, A Graduate Course in Applied Cryptography, version 0.5, 2020, §2.3.1(可忽略函数与渐近安全)。
关系图谱37 个相邻概念 · 3 类关系

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