Xatolar bilan o'rganish - Learning with errors

Xatolar bilan o'rganish (LWE) bo'ladi hisoblash muammosi chiziqli xulosa chiqarish -ary funktsiyasi berilgan namunalardan cheklangan halqa ustida LWE muammosini hal qilish qiyin deb taxmin qilinmoqda, ularning ba'zilari xato bo'lishi mumkin.[1] va shu bilan foydali bo'lishi mumkin kriptografiya.

Aniqrog'i, LWE muammosi quyidagicha ta'riflanadi. Ruxsat bering butun sonlarning halqasini belgilang modul va ruxsat bering to'plamini belgilang -vektorlar ustida . Muayyan noma'lum chiziqli funktsiya mavjud va LWE muammosiga kirish juftlik namunasi , qayerda va , shuning uchun yuqori ehtimollik bilan . Bundan tashqari, tenglikdan og'ish ba'zi ma'lum shovqin modellariga muvofiq. Muammo funktsiyani topishni talab qiladi , yoki katta ehtimollik bilan ularning taxminan yaqinlashuvi.

LWE muammosi tomonidan kiritilgan Oded Regev 2005 yilda[2] (2018 yilda kim g'olib chiqdi Gödel mukofoti bu ish uchun), bu ning umumlashtirilishi tenglikni o'rganish muammo. Regev shuni ko'rsatdiki, LWE muammosi bir nechta eng yomon holatlardagidek hal qilinishi qiyin panjara bilan bog'liq muammolar. Keyinchalik, LWE muammosi a sifatida ishlatilgan qattiqlik taxmin yaratmoq ochiq kalitli kriptosistemalar,[2][3] kabi kalitlarni almashtirish bilan xatolarni o'rganish Peikert tomonidan.[4]

Ta'rif

Belgilash The reals bo'yicha qo'shimchalar guruhi modulli. Ruxsat bering sobit vektor bo'lsin ehtimollik taqsimoti aniqlangan bo'lishi kerak .Qayd eting tarqatish quyidagicha olingan.

  1. Vektorni tanlang forma taqsimotidan ,
  2. Raqam tanlang tarqatishdan ,
  3. Baholang , qayerda standart ichki mahsulotdir , bo'linish reallar maydoni (yoki rasmiy ravishda, bu "bo'linish tomonidan "bu guruh homomorfizmi uchun belgi xaritalash ga ) va oxirgi qo'shilish .
  4. Juftlikni chiqaring .

The xatolar bilan o'rganish topishdir , polinomial ravishda tanlangan ko'plab namunalarga kirish huquqi berilgan .

Har bir kishi uchun , bilan belgilanadi bir o'lchovli Gauss nolinchi o'rtacha va dispersiya bilan, ya'ni zichlik funktsiyasi qayerda va ruxsat bering tarqatish bo'lishi mumkin ko'rib chiqish natijasida olingan modulli. Ko'pgina natijalarda ko'rib chiqilgan LWE versiyasi shunday bo'ladi

Qaror versiyasi

The LWE Yuqorida tavsiflangan muammo qidirmoq muammoning versiyasi. In qaror versiya (DLWE), maqsadi shovqinli ichki mahsulotlar va bir xil tasodifiy namunalarni ajratishdir (amalda uning ba'zi bir diskretlangan versiyasi). Regev[2] ekanligini ko'rsatdi qaror va qidirmoq versiyalari qachon teng in ba'zi bir polinomlar bilan chegaralangan tub son .

Qidiruvni nazarda tutgan holda qarorni hal qilish

Intuitiv ravishda, agar bizda qidiruv muammosi uchun protsedura mavjud bo'lsa, qarorning versiyasini osongina echish mumkin: faqat qaror muammosi uchun kiritilgan namunalarni qidirish muammosi uchun echuvchiga etkazing. Berilgan namunalarni belgilang . Agar hal qiluvchi nomzodni qaytarsa , Barcha uchun , hisoblang . Agar namunalar LWE taqsimotidan olingan bo'lsa, unda ushbu hisoblash natijalari bo'yicha taqsimlanadi , ammo namunalar bir xil tasodifiy bo'lsa, bu miqdorlar ham bir xil taqsimlanadi.

Qaror qabul qilingan holda qidiruvni hal qilish

Qaror muammosini hal qiladigan boshqa yo'nalish uchun qidiruv versiyasini quyidagicha hal qilish mumkin: Qayta tiklash bir vaqtning o'zida bitta koordinata. Birinchi koordinatani olish uchun, , taxmin qiling va quyidagilarni bajaring. Raqam tanlang bir xil tasodifiy. Berilgan namunalarni o'zgartiring quyidagicha. Hisoblang . O'zgartirilgan namunalarni qaror echimiga yuboring.

Agar taxmin bo'lsa to'g'ri edi, transformatsiya taqsimotni oladi o'ziga, aks holda, buyon asosiy hisoblanadi, uni bir xil taqsimlashga olib boradi. Shunday qilib, juda kichik ehtimollik bilan xatoga yo'l qo'ygan qaror muammosi uchun polinom-vaqt echuvchisi berilgan, chunki ba'zi bir polinomlar bilan chegaralangan uchun har qanday mumkin bo'lgan qiymatni taxmin qilish uchun faqat polinom vaqt talab etiladi va qaysi biri to'g'ri ekanligini ko'rish uchun hal qilgichdan foydalaning.

Qabul qilgandan keyin , biz bir-birimizga o'xshash koordinatalar protsedurasiga amal qilamiz . Aynan biz o'zimizni o'zgartiramiz namunalarni xuddi shunday qilib oling va biznikini o'zgartiring hisoblash yo'li bilan namunalar , qaerda ichida muvofiqlashtirish.[2]

Peikert[3] kichik qisqartirish bilan ushbu pasayish har qanday narsaga mos kelishini ko'rsatdi bu aniq, kichik (polinom in ) tub sonlar. Asosiy g'oya - agar , har biriga , taxmin qiling va yo'qligini tekshiring ga mos keladi va undan keyin foydalaning Xitoyning qolgan teoremasi tiklanmoq .

O'rtacha ishning qattiqligi

Regev[2] ko'rsatdi tasodifiy o'z-o'zini kamaytirish ning LWE va DLWE o'zboshimchalik uchun muammolar va . Berilgan namunalar dan , buni ko'rish oson dan namunalar .

Shunday qilib, ba'zi bir to'plam bor edi deylik shu kabi va tarqatish uchun , bilan , DLWE oson edi.

Keyin ba'zi bir farqlovchi narsa bo'lar edi , kim, namunalarni bergan , ular bir xil tasodifiymi yoki yo'qligini bilib olishlari mumkin . Agar bir xil tasodifiy namunalarni ajratish kerak bo'lsa , qayerda dan tasodifiy ravishda bir xil tanlanadi , biz shunchaki turli xil qadriyatlarni sinab ko'rishimiz mumkin dan tasodifiy bir xil namuna olingan , hisoblang va ushbu namunalarni oziqlantirish . Beri ning katta qismini o'z ichiga oladi , katta ehtimollik bilan, uchun qiymatlarning polinom sonini tanlasak , biz ulardan birini topamiz va namunalarni muvaffaqiyatli ajratib turadi.

Shunday qilib, bunday emas mavjud bo'lishi mumkin, ma'no LWE va DLWE eng yomon holatda bo'lgani kabi o'rtacha holatda ham (polinom omiliga qadar).

Qattiqlik paydo bo'ladi

Regevning natijasi

Uchun n- o'lchovli panjara , ruxsat bering yumshatuvchi parametr eng kichikni belgilang shu kabi qayerda ning dualidir va to'plamdagi har bir elementdagi funktsiya qiymatlarini yig'ish orqali to'plamlarga kengaytiriladi. Ruxsat bering diskret Gauss taqsimotini belgilang kengligi panjara uchun va haqiqiy . Har birining ehtimoli ga mutanosib .

The diskret Gauss namuna olish muammosi(DGS) quyidagicha aniqlanadi: ning misoli tomonidan berilgan - o'lchovli panjara va raqam . Maqsad - dan namunani chiqarish . Regev-dan pasayish mavjudligini ko'rsatadi ga har qanday funktsiya uchun .

Keyin Regev samarali kvant algoritmi mavjudligini ko'rsatadi uchun oracle-ga kirish huquqi berilgan butun son uchun va shu kabi . Bu LWE uchun qattiqlikni anglatadi. Garchi ushbu tasdiqning isboti har qanday kishi uchun ishlaydi , kriptosistemani yaratish uchun ichida polinom bo'lishi kerak .

Peikertning natijasi

Peikert buni tasdiqlaydi[3] vaqtidan ehtimollik polinomining qisqarishi borligini eng yomon holatda muammo hal qilish foydalanish parametrlar uchun namunalar , , va .

Kriptografiyada foydalaning

The LWE muammo bir nechta qurilishda ishlatiladigan ko'p qirrali muammo bo'lib xizmat qiladi[2][3][5][6] kriptotizimlar. 2005 yilda Regev[2] LWE ning qaror versiyasi kvantning qattiqligini qabul qilish qiyinligini ko'rsatdi panjara bilan bog'liq muammolar (uchun yuqoridagi kabi) va bilan ). 2009 yilda Peikert[3] shunga o'xshash muammoning faqat klassik qattiqligini hisobga olgan holda shunga o'xshash natijani isbotladi . Peikert natijasining kamchiligi shundaki, u o'zini osonroq (SIVP bilan taqqoslaganda) GapSVP muammosining nostandart versiyasiga asoslanadi.

Ochiq kalitli kriptotizim

Regev[2] taklif qilingan ochiq kalitli kriptotizim qattiqligining asosida LWE muammo. Kriptotizim, shuningdek xavfsizlik va to'g'riligining isboti butunlay klassik. Tizim xarakterlanadi va ehtimollik taqsimoti kuni . To'g'ri va xavfsizlikni isbotlashda ishlatiladigan parametrlarni sozlash

  • , odatda orasidagi asosiy son va .
  • ixtiyoriy doimiy uchun
  • uchun , qayerda o'rtacha o'zgaruvchidan namuna olish orqali olingan ehtimollik taqsimoti va standart o'zgarish va natija modulini kamaytirish .

Keyin kriptotizim quyidagicha aniqlanadi:

  • Shaxsiy kalit: Shaxsiy kalit - bu tasodifiy bir xil tanlangan.
  • Ochiq kalit: Tanlang vektorlar bir xil va mustaqil ravishda. Xatolarni bartaraf etishni tanlang mustaqil ravishda . Ochiq kalit quyidagilardan iborat
  • Shifrlash: Bitni shifrlash tasodifiy pastki to'plamni tanlash orqali amalga oshiriladi ning va keyin belgilash kabi
  • Parolni hal qilish: Ning parolini hal qilish bu agar ga yaqinroq dan ko'ra va aks holda.

To'g'ri ekanligining isboti parametrlarni tanlash va ba'zi ehtimollarni tahlil qilishdan kelib chiqadi. Xavfsizlikning isboti - qaror versiyasiga qisqartirish LWE: ning (yuqoridagi parametrlari bilan) ning shifrlashlarini ajratish algoritmi va orasidagi farqni aniqlash uchun ishlatilishi mumkin va yagona taqsimot

CCA bilan himoyalangan kriptosistema

Peikert[3] hech kimga qarshi bo'lmagan tizimni taklif qildi shifrlangan matn hujumi.

Kalit almashinuvi

Kalit almashinuvi uchun LWE va Ring LWE dan foydalanish g'oyasi Tsintai Din tomonidan 2011 yilda Tsintsinati universitetida taklif qilingan va taqdim etilgan. Ushbu g'oya matritsani ko'paytirishning assotsiativligidan kelib chiqadi va xatolar xavfsizlikni ta'minlash uchun ishlatiladi. Qog'oz[7] 2012 yilda vaqtinchalik patent talabnomasi berilgandan so'ng paydo bo'ldi.

LWE muammosini hal qilishning qattiqligi asosida protokolning xavfsizligi tasdiqlangan. 2014 yilda Peikert kalitlarni tashish sxemasini taqdim etdi[8] Dingning xuddi shu asosiy g'oyasidan kelib chiqqan holda, Ding konstruktsiyasida yaxlitlash uchun qo'shimcha 1-bitli signal yuborishning yangi g'oyasi ham qo'llaniladi. "Yangi umid" ni amalga oshirish[9] Google-ning kvantdan keyingi tajribasi uchun tanlangan,[10] xatolarni taqsimlash o'zgarishi bilan Peikert sxemasidan foydalanadi.

Shuningdek qarang

Adabiyotlar

  1. ^ Regev, Oded (2009). "Panjaralarda, xatolar, tasodifiy chiziqli kodlar va kriptografiya bilan o'rganish". ACM jurnali. 56 (6): 1–40. doi:10.1145/1568318.1568324.
  2. ^ a b v d e f g h Oded Regev, "Raqamlar, xatolar bilan o'rganish, tasodifiy chiziqli kodlar va kriptografiya to'g'risida", Hisoblash nazariyasi bo'yicha o'ttiz ettinchi yillik ACM simpoziumi materiallari (Baltimor, MD, AQSh: ACM, 2005), 84-93, http://portal.acm.org/citation.cfm?id=1060590.1060603.
  3. ^ a b v d e f Kris Peikert, "Eng yomon vektorli muammolardan ochiq kalit kriptotizimlar: kengaytirilgan mavhum", "41-yillik kompyuterlar nazariyasi bo'yicha ACM simpoziumi ishlarida (Bethesda, MD, AQSh: ACM, 2009), 333-342, http://portal.acm.org/citation.cfm?id=1536414.1536461.
  4. ^ Peikert, Kris (2014-10-01). "Internet uchun panjara kriptografiyasi". Moskada, Mishel (tahrir). Kvantdan keyingi kriptografiya. Kompyuter fanidan ma'ruza matnlari. 8772. Springer International Publishing. 197-219-betlar. CiteSeerX  10.1.1.800.4743. doi:10.1007/978-3-319-11659-4_12. ISBN  978-3-319-11658-7.
  5. ^ Kris Peikert va Brent Uoterlar, "Yo'qotilgan qopqoq funktsiyalari va ularning qo'llanilishi", 40-yillik kompyuterlar nazariyasi bo'yicha ACM simpoziumi (Viktoriya, Britaniya Kolumbiyasi, Kanada: ACM, 2008), 187-196, http://portal.acm.org/citation.cfm?id=1374406.
  6. ^ Kreyg Gentri, Kris Peikert va Vinod Vaikuntanatan, "Qattiq panjaralar va yangi kriptografik inshootlar uchun qopqoqlar", 40-yillik kompyuterlar nazariyasi bo'yicha ACM simpoziumi ishlarida (Viktoriya, Britaniya Kolumbiyasi, Kanada: ACM, 2008), 197-206, http://portal.acm.org/citation.cfm?id=1374407.
  7. ^ Lin, Jintai Ding, Sian Xie, Xiaodong (2012-01-01). "Xatolar bilan o'rganish asosida oddiy almashinuvda xavfsiz kalit almashinish sxemasi". Iqtibos jurnali talab qiladi | jurnal = (Yordam bering)
  8. ^ Peikert, Kris (2014-01-01). "Internet uchun qafasli kriptografiya". Iqtibos jurnali talab qiladi | jurnal = (Yordam bering)
  9. ^ Alkim, Erdem; Ducas, Leo; Pyppelmann, Tomas; Shvabe, Piter (2015-01-01). "Post-kvant kalitlari almashinuvi - yangi umid". Iqtibos jurnali talab qiladi | jurnal = (Yordam bering)
  10. ^ "Post-kvant kriptografiyasi bilan tajriba". Google Onlayn xavfsizlik blogi. Olingan 2017-02-08.