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【隐私计算篇】不经意传输协议(OT/OTE)的进一步补充

news 2024/9/22 19:46:52

1. 背景介绍

关于不经意传输(OT)和不经意传输扩展(OT Extension), 我们在之前的文章《OT&OT扩展(不经意传输扩展)深入浅出》做了详细的说明。但对于OT/OTE的一些技术或者概念，还有一定的内容欠缺，因此本文根据冯登国院士关于安全多方计算协议的分享，做了相关的笔记，在这里对OT的相关内容做进一步的补充，主要涉及OT扩展类别体系、COT-ROT-OT的构建关系等。

接下来，我们先回顾一下标准OT的构建基础（依赖的密码学技术和困难假设）以及一种经典的1-out-of-2 OT协议Naor-Pinkas OT。然后再引出本文的要点。

1.1 标准OT的构建基础

1.2 Naor-Pinkas OT过程（基于CDH困难假设的示例）

Naor-Pinkas Oblivious Transfer (Naor-Pinkas OT) 是一种经典的基于公钥加密的 1-out-of-2 Oblivious Transfer (OT) 协议，该协议建立在 Diffie-Hellman 假设 上。在公钥密码学中，循环群的概念【3】可以被用于构建Diffie-Hellman密钥交换。符号G表示循环群的基群，指有限域上的一个有限群。g是生成元，群中的一个元素，通过不断对 g 进行幂运算可以生成整个群 G。

协议步骤：

1. 循环群 $(\mathbb{G}, q, g, C)$

协议基于一个循环群，群的生成元为 g
发送方和接收方都在该群内进行操作。

2. 接收方的选择 $b \in \{0,1\}$

接收方根据比特选择 b，生成 $PK_b = g^k$ ，然后计算另一个公钥 $PK_{1-b} = C / PK_b$ 。
接收方发送 $PK_0$ 给发送方。

3. 发送方的预计算

发送方生成一个随机数 $r \in \mathbb{Z}_q$ ，并计算 $g^r$ 和 $C^r$ 。
发送方用 $(PK_0)^r$ 和 $(PK_1)^r$ 进行加密。也就是： $E_0 = H((PK_0)^r, 0) \oplus m_0$ ， $E_1 = H((PK_1)^r, 1) \oplus m_1$ 。
然后发送方将 $g^r, E_0, E_1$ 发送给接收方。

4. 接收方的解密

接收方通过 b 选择的值，计算 $(g^r)^k$ ，并使用哈希函数 $H((g^r)^k, b)$ 来解密选定的消息 $m_b$ 。
接收方无法计算未选择的消息 $m_{1-b}$ ，因为没有 $(PK_{1-b})^r$ 的私钥部分 r。

2. OT存在的性能问题及OT Extension的引出

2.1 OT性能问题

关于OT的作用和性能问题，我们在《OT&OT扩展(不经意传输扩展)深入浅出》文中做了详细的解释，主要是由于OT需要依赖公钥密码操作，而MPC协议需要大量的OT运算，因此会导致通信量较大，整体效率低。

2.2 OT Extension分类

因此也就引出了后续的OT Extension技术，通过少量的Base OT(有限次公钥密码操作)，实现大量的OT生成。下图中列出了OT扩展的类别体系，包含IKNP类、PCG类、PCF类。不同的类别基于的困难假设不同，比如IKNP类基于PRG的困难假设，PCG类基于LPN的困难假设。

2.2.1 PRG困难假设

伪随机生成器（Pseudo-Random Generator, PRG）的困难假设是指构建安全伪随机生成器所依赖的计算困难问题。其核心目标是扩展一个小的随机种子为更长的伪随机序列，且该伪随机序列在计算上不可区分于真正的随机序列。

PRG 的困难假设可以概括为以下几个方面：

1. 可计算性假设

        PRG 的输出必须是可有效计算的。也就是说，给定一个初始的随机种子 s，可以通过多项式时间的算法生成一个伪随机序列 G(s)。

2. 不可区分性假设

        这是假设的核心。对于一个有效的 PRG 来说，伪随机序列应该在计算上与真正的随机序列难以区分。具体而言，给定伪随机生成器 G 的输出序列 G(s)和等长的真正随机序列，任何多项式时间的算法（即攻击者）在接受这两者作为输入时，都不能以显著优于随机猜测的概率区分出这两个序列。

        用数学语言表述为：对于任何多项式时间的算法 A，存在一个可以忽略的函数 $\epsilon(n)$ ，使得：

$\left| \Pr[A(G(s)) = 1] - \Pr[A(r) = 1] \right| < \epsilon(n)$ ,

        其中 s 是随机种子，G(s) 是 PRG 生成的伪随机序列，r 是真正的随机序列， $\epsilon(n)$ 随着输入大小 n 增大趋近于零。

3. 基础困难问题

        PRG 的安全性通常基于一些公认的计算困难问题，这些问题在当前的计算能力下是难以有效解决的：

离散对数问题（Discrete Logarithm Problem, DLP）：在某些有限群上，计算 $g^x$ 容易，但已知 $g^x$ 推导 x 则很难。这在椭圆曲线密码学和 Diffie-Hellman 协议中有重要应用。

整数分解问题：对于大整数 N，分解成两个大素数的乘积是困难的。这是 RSA 加密的基础。

基于格的假设：如 Learning With Errors (LWE) 问题，它涉及在高维格中求解某些方程或猜测噪声，是一种非常难的计算问题。基于格的假设可以构建抗量子攻击的 PRG。

扩展的单向函数：单向函数是一类易于计算但难以反向的函数。PRG 通常建立在单向函数的基础上，假设通过伪随机生成器生成的序列难以通过逆向计算还原。

总结起来，PRG 的困难假设归根结底依赖于：（1）PRG 的输出不可与真正的随机序列区分。（2）该不可区分性假设基于某些计算困难问题。

2.2.2 LPN(Learning Parity with Noise问题)困难假设

学习带噪声的奇偶校验（LPN）问题【4，5】作为加密或认证协议等“可证明安全”密码方案构建的困难假设基础。在理论方面，LPN 问题等价于随机线性码解码问题。在实践方面，LPN 基于的方案通常非常简单且高效，既节省代码空间，又能在时间和空间要求方面表现优异。LPN在效率上非常高效，利用了有限域中的乘法和加法操作。

LPN通过将秘密信息表示为带有误差的方程组，有效地通过引入噪声来隐藏秘密的值。LPN作为一种后量子安全性假设使用，类似于纠错码理论，并且与学习带误差问题（Learning with Errors, LWE）有相似之处。

LPN问题定义如下：

A · s + e mod p = u

给定一个矩阵A，即使在噪声向量e的情况下，要找到一个向量s以无限接近目标向量u也是一个计算难题。这里，"·"表示点积，p是一个大于或等于2的素数，s是模p的整数域中的n维向量，而噪声向量e是具有较小汉明重量的稀疏向量。

2.2.3 DDH（Decisional Diffie-Hellman）困难假设

DDH困难假设是密码学中的一个基础假设，用于证明许多密码协议的安全性。该假设在离散对数问题的基础上提出，主要与 Diffie-Hellman 密钥交换协议相关。

DDH 困难假设的核心内容如下：

        给定一个有限群 G（通常是一个循环群），群的生成元 g，以及三个群元素 $g^a$ 、 $g^b$ 、 $g^c$ （其中 a、b、c 是随机选取的整数），DDH 假设认为：

        难以区分 $(g^a, g^b, g^{ab})$ 和 $(g^a, g^b, g^c)$ 两个三元组。

        也就是说，给定三个元素 $g^a$ 、 $g^b$ 和第三个元素 $g^c$ ，如果第三个元素是 $g^{ab}$ 或者是 $g^c$ （随机独立于 a 和 b 生成的），攻击者无法有效地区分这两种情况。

具体步骤

选择一个大质数 p 和一个生成元 g。
随机选取整数 a 和 b，计算 $g^a$ 和 $g^b$ 。
两种可能的情况：
有效的 Diffie-Hellman 三元组：给定 $g^a, g^b, g^{ab}$ 。
伪造的三元组：给定 $g^a, g^b, g^c$ ，其中 c 是随机的。
DDH 假设断言，无法有效区分两种三元组。

不同类型的OT扩展，在通信效率、计算效率上存在差异，以下展示了对比分析， PCG类的协议通信效率高，适合在低带宽场景下使用。而IKNP协议则适合在高带宽下使用。另外，大部分的OT扩展协议可以通过COT->ROT->OT进行构造。下一章节具体来分析一下。

3. OT构造链路

事实上，我们在《OT&OT扩展(不经意传输扩展)深入浅出》文中，详细介绍了IKNP03-OT Extension的生成过程，其基于有限次Correlated OT生成n组Random OT，可以详细阅读理解一下实现方案。

Random OT中的Random其实是指预处理过程中发送者的消息 $r_0$ 、 $r_1$ 是随机生成的，然后经过OT计算，接收者获得选择比特c对应的 $r_c$ 信息，该过程所涉内容与实际要发送的信息 $m_0$ 和 $m_1$ 无关，因此可以预先生成。后续真正要发送 $m_0$ 和 $m_1$ 时，可以利用已经生成的ROT信息，快速实现OT。下图展示了具体的执行过程。接收者通过选择比特b获得所需要的信息 $m_b$ 。

进一步地，通过COT, 可以用于快速生成ROT。所谓的COT是指，发送方的消息 $x_0$ 与 $x_1$ 之间存在相关关系【6，7】。

通过对消息对进行Hash化，可以实现信息的随机性。因此可以快速生成ROT。下图展示的是一个示例。具体的实现案例，依然可以参考我们之前写的IKNP03-OT Extension的生成过程。

接下来我们来分析一下为什么说COT的生成相对于ROT来说代价更低或者说更容易。从两个层面来回答：

1. 随机性来源：

ROT生成的随机性复杂：ROT需要生成多个随机比特并确保每个比特对应的消息对都是随机的。因此，ROT需要在安全性上保证消息对的完全随机性，并且消息之间没有任何关联。

COT可以基于简单的关联：COT只要求消息对之间存在特定的关联性（例如，线性关系、加法关系等）。这种关联可以通过从ROT生成的随机性中简单地引入某种固定的数学变换实现。因此，COT可以使用ROT的随机消息并通过简单的线性变换或函数构造所需的关联性。

2. 从ROT转换为COT非常高效：

从ROT生成COT时，只需要将ROT的随机消息经过一次线性或代数变换来创建关联的消息对。比如，设定两个消息对 $(m_0, m_1)$ ，COT只需要确定一个差值 $\Delta$ ，通过加法运算来形成关联对： $(x_0, x_1) = (m_0 + \Delta, m_1)$ ，这种数学操作的计算复杂度非常低，因此生成COT相对简单。

一次ROT生成的随机性可以用于多次COT操作。这意味着通过少量的ROT，能够生成大量的COT，而不需要为每个COT实例单独进行高成本的生成。

从上述描述来看，其实COT的生成是利用了ROT的随机性。COT可以通过ROT的随机性加上简单的数学变换生成，而不需要重新生成复杂的随机性。，也意味着在多个COT实例中可以重复利用同一组ROT生成的随机性。通过一次ROT生成的随机消息对，可以复用多次，通过简单的数学变换生成多个COT实例。有了COT后，又可以变换为ROT实例，进而实现OT的生成。这一段可能比较绕，建议结合《OT&OT扩展(不经意传输扩展)深入浅出》中的IKNP03-OT Extension说明反复阅读理解。