笔记分享|浙大暑期密码学课程：两方安全计算

上篇笔记是对于可证明安全基础课程的整理，详情请见笔记分享|浙大暑期密码学课程：可证明安全基础。

本篇笔记对张秉晟老师在浙江大学的暑期Crypto School的《MPC I》课程进行了整理，可前往以下b站链接或点击下列视频观看完整课程。

浙大暑期Crypto课程-MPC I（上）

https://www.bilibili.com/video/BV1yX4y1p7rG/?spm_id_from=333.788&vd_source=15b7926a3a203446fa868f18be9bc87e

浙大暑期Crypto课程-MPC I（下）

https://www.bilibili.com/video/BV1bX4y1p7qu/?spm_id_from=333.788&vd_source=15b7926a3a203446fa868f18be9bc87e

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摘要

多方安全计算（MPC）有着广泛的应用，本次课程将由来自浙江大学的张秉晟老师带来，主要讲解两方安全协议。

安全多方计算的定义千奇百怪，主要可分为通俗定义，狭义定义和广义定义，狭义上来说安全多方计算使用混淆电路或秘密分享的方式来实现，广义上来说可以使用全同态加密等手段来进行。

安全多方计算可以分为通用安全多方计算和专用安全多方计算，通用安全多方计算一般是将计算任务转换为布尔电路或代数电路，使用交互式协议来完成运算，专用安全多方计算的效率更高，一般可以不依赖于电路的方式来解决，目前常用的协议主要有隐私求交集PSI协议。

以下是衡量安全多方计算的三个维度，主要包括安全假设，安全保障和性能，其中安全假设一般注重同步网络中的半诚实敌手，下图介绍了三个维度中主要考量的要点。

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两方安全计算的设计策略

接下来我们以计算一个与门电路为例子，引入两方安全计算，下图是本协议的示意图，主要问题是如何来定义该框架的安全性。

一般的设计思路可以分为自顶向下和自底向上，如下图所示，三个层次主要包括协议层，原语层和假设层。

协议是密码学中最高层次的，如MPC协议，PSI协议等，原语是第二层次的，主要包括加密，数字签名等算法，假设是最低层次的，任何的协议和原语的安全性都依赖于一些假设，比如求解离散对数问题是困难的，求解大整数分解问题是困难的。

一般设计协议是自顶向下，教学采用自底向上，教学采用该方法可以易于让学生接受。

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Elgamal加密

我们在上次课中提到了基于判定性DH的密钥交换协议和一次一密，我们知道一次一密是目前最安全的加密方案，敌手无法在多项式时间内区分随机值和密文，判定性DH假设在密码学中广泛使用，下面三张图是前一次课程的概要。

下图是Elgamal加密的示意图，Elgamal是一种公钥加密方案，主要由初始化，密钥生成，加密和解密四个算法构成。

根据上次课程所讲，我们需要确定一个算法在什么假设下能够达到什么样的安全性，那么同理，我们需要考虑Elgamal在何种假设下可以达到什么样的安全性。

接下来下图定义了公钥加密中IND-CPA的安全性博弈定义。

Elgamal是IND-CPA安全的，张老师也在白板上推导了Elgamal的IND-CPA安全，更多内容请见录播课程。

在安全计算中，我们希望能够在不知道私钥的情况下，对密文进行运算，运算的结果解密后和明文的运算结果保持一致，我们记为数据的延展性。

同态加密解决了上述的问题，接下来我们简要讲解一下Lifted Elgamal加密算法。

Lifted Elgamal加密是满足加法同态性，并且只要消息空间范围不大，我们可以直接通过计算离散对数，得到最后的明文消息。

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同态加密及在两方安全计算的应用示例

假设下面是一个两方计算模型，P1和P2分别输入a和b，P1得到最后的结果f(a,b)，如下图所示。

我们可以采用单边模拟（one-side simulation）的方式来证明该协议的安全性。

我们仍然采用之前的例子来讲解安全多方计算，即两个参与方，分别计算a和b的乘积，即a AND b，具体如下图所示。

下图是本协议的交互方式，主要是基于Lift Elgamal进行构造。

本方案的正确性显然能够满足，该方案的正确性主要基于Lift Elgamal的正确性，如下图所示。

下图主要描述了P1的隐私，即P2只能看到随机的密文，而得不到其他任何信息。

下图描述了P2的隐私，当然P2可能有部分信息泄漏，P1可以从P2交互的信息中得到额外隐私信息，所以我们需要对其进行修复。

下图是修复后的协议，在该协议中，通过选取一个随机值r'，可以实现P2的隐私保护，即P1得不到P2的输入相关信息。

下图所示是仅有两条消息构成的两方计算协议。

接下来的例子，将一个比特扩展到多个比特，实现了标量的乘法操作，如以下两张图所示。

下图是上述两方计算协议中，P1和P2的隐私性解释如下：P1只能看到最终输出的随机加密密文，P2只能看到P1输入的随机加密密文。

下面同时给出了第一个两方协议的扩展和在汉明重量计算中的应用。

下图是计算汉明重量的方法，协议和安全性，协议的安全性和之前所提的标量乘法的安全性相类似。

最后，张老师还对方案给出了详细的安全性证明，有兴趣的同学可以观看录播。

(PS：笔记里是作者自己整理，可能会有一些不太准确的表达，也会有一些不当的理解，欢迎大家在留言区指出，一起学习交流)

内容来源：浙大暑期Crypto课程-MPC I

笔记整理：杨赟博

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END

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