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定义Definition

不可区分性

Computational indistinguishability

任意高效判别器区分两个分布族的优势都是可忽略量。

形式陈述 ​

设两族概率分布 Xλ,Yλ 取值于同一可判定样本空间 Ωλ,或至少具有兼容且高效可识别的输出编码与长度。下标 λ 是安全参数;计算不可区分要求对任意 PPT 随机判别算法 D,按统一两世界实验定义的优势

AdvDdist(λ)=|Pr[D(1λ,Xλ)=1]−Pr[D(1λ,Yλ)=1]|

作为 λ 的函数可忽略。显式给出 1λ 是为了固定运行时间以安全参数计的约定;若参数可从样本长度有效恢复,才可把它从记号中省略。两次概率各自包含样本抽取和判别器随机币,并不要求把两个世界的随机币逐次配对。若实验均匀采样隐藏位 b 并给出 Xλ 或 Yλ,则全偏差 |2Pr[b′=b]−1| 与上式相同;成功率减 1/2 的规范数值小一半。量词顺序很关键:对每个固定的高效判别器 D,可以有依赖于 D 的可忽略界 μD;定义并不要求先选出一个同时支配所有判别器的全局可忽略函数。

允许无界判别器并用带 1/2 约定的总变差距离刻画,是更强的统计不可区分性;距离为零则是完美同分布。统计版本的事件上确界、最优优势与罕见事件边界由该页承接,本页只定义计算受限层。

直觉

不可区分性把“看起来一样”落实为两个候选世界:给区分器一个样本并要求判断来源,优势衡量其超出基线的能力。即使两个分布在数学上不同,只要任何现实可行的算法都看不出差别,它们就在计算安全意义下等价。辅助信息、查询接口、样本数量以及 uniform/nonuniform 对手选择会直接改变安全强度,必须与 PPT 限制一起陈述。

不可区分性的两世界实验
例子与边界

伪随机生成器输出应与等长均匀串不可区分。若存在某个多项式时间统计测试保持常数优势,就已否定不可区分性。单个有限参数下“没测出来”不是渐近证明;判别器还可非均匀或带辅助输入,具体定义必须说明。

若两个分布完全相同,任何区分器成功率恰为 1/2。若一个总输出 0、另一个总输出 1,读取一 bit 即完全区分。伪随机生成器要求 G(Us) 与 Um 对多项式时间区分器不可区分,尽管输出集合 S={G(z):z∈{0,1}s} 至多有 2s 个点。无界判别器可以枚举种子并检查样本是否属于 S:生成器世界接受概率为 1,均匀世界至多为 2s−m,故优势至少 1−2s−m。当 m=s+1 时已经至少为 1/2。安全所依赖的并非分布接近,而是这种成员判断不能被高效实现;支持很小本身也不证明计算安全。

只比较均值、方差或几张直方图不足以证明不可区分;攻击者可使用任意允许的高效算法。有限实验没有发现区分器也不是对所有 PPT 对手的渐近证明;比较归约界时还必须先统一上面的优势因子。

推论与应用

不可区分性是加密安全游戏、零知识和伪随机性的共同语言。计算安全限制攻击者资源,可忽略函数规定允许优势;混合论证则把复杂分布比较拆成相邻两世界的比较。

语义安全与加密不可区分性的等价,必须在同一私钥/公钥模型和同一攻击接口下陈述。私钥的窃听版本 SEM-EAV 对应 IND-EAV;允许选择明文查询的 SEM-CPA 才对应 IND-CPA。公钥模型中攻击者已能自行加密,但仍要固定消息选择、辅助信息和挑战规则,不能把未标攻击模型的“语义安全”直接当作所有 CPA 保证。

参考资料
  • Jonathan Katz and Yehuda Lindell, Introduction to Modern Cryptography, 3rd ed., CRC Press, 2020,Chs. 2–12。
  • Oded Goldreich, Foundations of Cryptography, Vol. 1, Cambridge University Press, 2001,Chs. 1–4。
  • Dan Boneh and Victor Shoup, A Graduate Course in Applied Cryptography, version 0.5, 2020, Chs. 2–3(安全游戏和伪随机生成器)。
关系图谱26 个相邻概念 · 2 类关系

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