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算法Algorithm

Pedersen可验证秘密共享

Pedersen verifiable secret sharing · Pedersen VSS

用一组隐藏系数承诺检查Shamir份额,证明接受子集重构一致与完整公开视图的隐藏,并执行投诉修复、无效份额过滤及陷门反例。

形式陈述 ​

一份份额怎样说明自己属于同一条多项式 ​

Shamir共享保证诚实生成的足够多份额能恢复秘密,但一名接收者不能单靠自己的数值判断其他人拿到的是否一致。Pedersen方案增加公共系数承诺和一份盲化值,使接收者可以局部检验;通过检验的不同授权子集应重构同一个秘密。[1,§4.1]

取素数阶群G=⟨g⟩,阶为q,另取非单位元h∈G。公开参数和离散对数困难假设沿用Pedersen承诺:绑定攻击者不持有α=log_g h,也不能高效求出它;群成员检查只能验证代数合法性,不能证明没人知道α。所有标量采用F_q的规范编码,所有公共承诺须通过群成员验证,承诺值本身允许为单位元。

这里用t表示多项式次数上界,重构门限为k=t+1。取n≥k个互异非零坐标β₁,…,βₙ∈F_q。诚实分发者持有s,独立均匀选择a₁,…,a_t、b₀,…,b_t,设

F(T)=s+∑j=1tajTj,R(T)=∑j=0tbjTj.

将a₀记为s。分发者广播同一份向量

Cj=gajhbj,0≤j≤t,

并通过私密认证信道给参与方Pᵢ发送(sᵢ,rᵢ)=(F(βᵢ),R(βᵢ))。接收者在检查编码后接受,当且仅当

gsihri=∏j=0tCjβij.

这个等式允许接收者验证自己的两个数,却不要求公开它们。诚实份额总通过,因为右侧指数分别是F(βᵢ)和R(βᵢ)。在计算绑定条件下,任意两组各k份通过检验的份额,恢复出的秘密相同,除非发生可忽略概率的离散对数攻击。[1,Lemma4.2、Theorem4.3]

局部一致性和整体可用性各需什么 ​

上面的条件式结论只说:已经拿到k份合法份额,就能得到一致结果。它没有保证有人愿意交出份额。若希望至多t名参与者在重构时完全拒绝发送,剩余诚实方仍有k份可用,须进一步要求n−t≥t+1,即n≥2t+1。

下面给出一个采用该人数界的同步包装。它使用固定会话、唯一参与者身份、可靠私密认证投递及可靠广播;广播使所有诚实方看见相同内容,轮末缺消息可被共同判定。分发者可以恶意,另有至多t名参与者恶意。这些信道是模型输入,不在这里实现。

原论文的局部验证是非交互的;本页的投诉修复额外增加交互,目的是明确接受、中止和可用性出口。它不把一次份额检查直接称为完整恶意安全MPC。

直觉

两条多项式一起遮住系数 ​

Cⱼ并不是g^{aⱼ}:额外的h^{bⱼ}隐藏每个系数。接收者收到两条多项式在同一点的值,将它们一起放入承诺,恰好能和公共向量计算出的“该点承诺”比较。

重要的是,大家必须比较同一份公共向量。若分发者能向不同接收者展示不同的C,每个人都可能通过各自的等式,却谈不上属于同一个共享。这正是公共广播合同承担的工作。

公共承诺、投诉修复与一致重构

接受不等于知道分发者心中的秘密 ​

恶意分发者没有义务诚实报告自己的心理意图。协议能固定的是:已接受份额共同确定的重构值。要求它等于某个事先承诺的外部值,还需把那个承诺与本次C₀绑定到同一接口。

若把盲化去掉,改用g^{aⱼ},局部检验仍有相似形式,但g^s直接公开。秘密若只可能为0或1,观察者比较1和g便能辨别,根本不需要解一般离散对数。隐藏系数是本构造的一项实质职责。

例子与边界

模11的三份记录 ​

取模23乘法群中的11阶子群,g=2、h=13;秘密多项式和盲化多项式为

F(T)=4+3T,R(T)=2+5T(mod11).

坐标为1、2、3,得到公共承诺(C₀,C₁)=(13,9),三份秘密记录分别为(7,7)、(10,1)、(2,6)。三个验证等式两侧的群元素依次是2、18、1。例如第二份有

210131≡18≡13⋅92(mod23).

两份重构用拉格朗日插值。取坐标1、2,零点权重为2、−1,秘密为2·7−10=4,盲化常数为2·7−1=13≡2。换用任意另外一对,结果仍是(4,2)。

这个小群和固定多项式只供公开离线复算。群太小,可直接求离散对数,不能把例子中的参数或随机值当安全密钥。

四步投诉修复 ​

  1. 分发者可靠广播C,并私发各坐标记录。公共参数、向量或公共编码不合法时共同中止。
  2. 每个诚实方广播OK或COMPLAINT:缺记录或局部验证失败就投诉。一个身份只对应自己的坐标,不能替别的坐标新增投诉;恶意方可以撒谎或不发状态,不发按投诉处理。
  3. 若投诉集合Q的大小大于t,所有诚实方中止。否则分发者对每个i∈Q可靠广播修复对(sᵢ,rᵢ)。缺修复或任何修复对验证失败,也共同中止。
  4. 投诉者采用通过检验的公共修复;没有投诉的诚实方保留原合法记录。所有诚实方接受。恶意方即使说OK却实际没有合法记录,也不改变诚实方的这项结论。

将第二份改成(0,1),它会验证失败。Q={2}时,分发者公布真正的(10,1),修复成功。若同时缺第一份和第二份,Q={1,2}且t=1,直接中止。若第三方恶意地为自己的合法份额投诉,只会公开它本来已经知道的第三份。

进入重构阶段后,参与方广播带身份的份额对。先逐一检查公共等式,舍弃错误、缺失或重复身份,再从合法的互异坐标取k份插值;不到k份返回INSUFFICIENT。附件对重复身份直接拒绝整份输入,避免把一次发送重复计为两票。上述强人数界保证,即使全部t名恶意方沉默,n−t名诚实方仍足够;不满足该人数界时只能保留条件式重构结论。

知道陷门会发生什么 ​

教学参数满足h=2⁷,所以α=7。把第二份从(10,1)改成(0,4),有10+7·1≡0+7·4 mod11,两份打开对应同一个群元素。新对仍通过局部检查。

用第一份和这份伪造记录重构,得到秘密3、盲化常数10;用第一份和第三份重构仍得到(4,2)。它们都打开C₀,因而恢复

α=(3−4)(2−10)−1≡7(mod11).

这是可靠性定理的条件边界:接受不一致份额会给出离散对数解,但小群或已泄露α的参数并不满足困难假设。不能让分发者选择h=g^α并保留α,再仅凭群成员检查宣称绑定成立。

推论与应用

不同重构值给出一个高效归约 ​

任取k份合法记录,设零点拉格朗日权重为λᵢ。对每个次数j≤t,有Σλᵢβᵢ^j等于j=0时的1、其余时候的0。把各验证等式取λᵢ次幂后相乘,得到

g∑iλisih∑iλiri=C0.

所以每个合法子集都给出C₀的一次打开(s,r)。若两个子集的秘密s≠s′,承诺的双打开归约立即输出α=(s−s′)/(r′−r)。分母不可能为零,否则非零s−s′会使g的幂等于单位元。[1,Lemma4.2、Theorem4.3]

发现不一致不必枚举所有子集。先用最早k份合法秘密值插值为F,再逐个检查其余合法点。若某点不在F上,用它替换原子集的最后一个点;两条次数至多t的多项式在其余t个非零坐标相同,在新增坐标不同,因此它们的零点值不同。这样就找到两份不同打开,可在多项式时间内完成归约。

归约按离散对数挑战的原参数运行作恶者、收集其实际发送记录并执行上述检查,不需要猜哪一个子集会坏。它保证的是可计算攻击者无法高概率制造不一致,未承诺对计算无界分发者也可靠。

隐藏要把公共承诺一起算进去 ​

固定诚实分发者、任意秘密s,以及m≤t个腐化坐标。完整分发视图是(C₀,…,C_t,(sᵢ,rᵢ)ᵢ∈B)。仅说明每个Cⱼ均匀或每个sᵢ均匀,不足以证明它们的联合分布与s无关。

为计数,可在证明中写eⱼ=log_g Cⱼ和α=log_g h;这不是要求实际验证器去解离散对数。固定一个合法视图和任意候选s,满足F(0)=s及m个已知F值的系数选择恰有q^{t−m}种。每一种F都唯一确定

bj=(ej−aj)α−1.

这些bⱼ组成的R在腐化坐标恰好给出已知rᵢ,因为该视图的局部验证等式已经成立。原抽样总共有q^{2t+1}份等可能随机带,所以每个合法视图的概率为

qt−m/q2t+1=q−(t+m+1),

与s无关;不合法视图概率为零。这是含公共承诺的完美隐藏,覆盖t=0、m=0和任意秘密先验。[1,Theorem4.4]

诚实分发者下,诚实接收者不会投诉,所以投诉只能来自腐化身份。公开修复只重复这些腐化方已经持有的坐标记录;状态、修复和中止决定是其原视图与自身随机币的后处理,不扩大秘密信息。这里绝不能换成“再任意公开t份”:t=1时,已知第一份再公开诚实第二份就足以恢复秘密。

实际操作量与用途 ​

令k=t+1。用Horner法分发两条多项式需O(nk)次域操作,另生成k个承诺。一次局部验证需O(k)次群幂及乘法;用二进制幂算法,是O(k log q)次群乘法。附件为每次调用重新检查公共向量成员,仍在这个量级内;坐标表用散列索引,按期望常数查询计。

投诉包装及全部份额过滤需O(nk log q)次群操作级工作,插值两个零点再需O(k²)次域乘加及O(k)次求逆。存储公共向量和整场参考轨迹为O(n+k)个群/域元素。这里把一次域运算和群乘法分开作为原语;大整数位费用与安全参数生成不是常数。本下载器只为小例用试除验证p/q,另需O(√p+√q)次整数试除,不是生产参数生成算法。

该机制适合检验门限备份或共享输入的一致性。对三个秘密a、b、c分别共享并全部验证,并不证明c=ab;乘法三元组还需要正确的跨秘密相关性。综合练习要求实际修复第二份、过滤伪造重构、提取教学陷门,并构造“各份额都合法但乘积偏1”的反例。

参考资料
  1. Torben Pryds Pedersen,Non-Interactive and Information-Theoretic Secure Verifiable Secret Sharing,CRYPTO’91,LNCS576,Springer,1992,pp.129–140。§§2–3固定群与承诺;§4.1 Definition4.1、§4.2 Lemma4.2和Theorems4.3/4.4,印刷pp.132–135;§4.3比较隐藏与可靠性。本文明确另给同步投诉修复包装,未把它归为原论文的非交互步骤。
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