基于环上误差学习问题的新型后量子认证密钥交换协议

针对量子计算机技术的迅速发展使得传统公钥密码体制的安全性面临严重威胁的现实性问题,提出一种新型的基于环上误差学习（RLWE）问题的后量子认证密钥交换协议。协议通过使用Peikert式误差协调机制,双方通过计算可直接得到均匀分布的共享比特值,从而使得通信双方得到相同的会话密钥。使用理想格上的解码基对协议正确性进行了分析,并设置合理参数从而保证协议双方以显著概率得到相同密钥值。该协议在BR （Bellare-Rogaway）模型下可证明安全并达到弱的完美前向安全性。协议安全性归约为格上RLWE困难问题,可抵御量子攻击。与现有基于RLWE问题设计的认证密钥交换协议相比,该协议中参数值模数的大小由亚指数级降低至多项式级,相应计算量和通信量显著减小,是一种更加简洁高效的后量子认证密钥交换协议。     

格上具有完全前向安全的0轮往返时间密钥交换协议

0-RTT密钥交换协议允许客户端在零往返时间发送加密保护的有效载荷和第一条密钥交换协议消息,具有非交互、可离线等优点。为了降低密钥交换往返时间,基于穿透加密思想提出一种格上0-RTT密钥交换协议。首先利用一次性签名算法和分级身份基密钥封装机制构造可穿透前向保密密钥封装方案,然后使用可穿透前向保密密钥封装方案设计0-RTT密钥交换协议。协议只需客户端对服务器进行单向认证,并且能够有效抵抗量子攻击和重放攻击。与同类协议相比,所提协议具有可穿透的完全前向安全,减少了通信轮数,提高了通信效率。     

基于格的非交互式密钥交换协议

当前网络中广泛使用的交互式密钥交换协议,如SSL协议和TLS协议,由于密钥建立过程的通信量较大,不适合物联网中传感器等资源有限的轻型网络设备使用,因此提出一种基于格的非交互式密钥交换协议.文章基于格理论的环上带误差学习困难性问题,使用Freire等人给出的非交互式密钥交换协议形式化定义和安全模型对协议的安全性进行分析,通过攻击者与挑战者之间的博弈证明了协议的安全性.该协议具有抗量子攻击安全性,能够有效地提升物联网的通信安全.     

Cybertwin中的格上生物特征认证密钥交换协议

针对基于Cybertwin的网络架构中通信双方存在信道安全以及隐私保护的问题,提出新的格上认证密钥交换协议。使用生物特征认证技术实现Cytertwin服务下的用户实名制登录和强身份认证需求,保证Cybertwin服务对用户网络行为的审计和追踪。通过引入通信方身份信息构造格上抗碰撞哈希函数,使身份信息在公共信道传输过程中能够应对量子威胁,同时满足用户匿名性和不可追踪性。最后基于RLWE问题设计了新的和解机制,通过两轮交互共享安全会话密钥。协议在BPR模型下满足理论可证明安全,具有抗量子攻击、抗临时秘密值泄露攻击、抗生物特征猜测攻击等安全特性。仿真实验表明该协议计算和通信开销适用于Cybertwin服务下数量庞大的终端互连需求。     

基于RLWE的生物特征认证密钥交换协议

在后量子密码学中,针对密钥交换协议存在口令容易丢失以及难以实现相互认证的安全缺陷,提出了一个新的基于环上误差学习的生物特征认证密钥交换协议。该协议根据环上误差学习问题构造的密码体制具有密钥及密文尺寸短、运行效率高等优势,并采用生物特征和口令作为长期密钥,同时通过Peikert式错误协调机制从各自的环元素中协调出随机均匀的会话密钥,实现了服务器对客户的显式认证。性能分析结果表明,该方案可抵抗用户假冒攻击,安全属性更高,提高了通信效率。     

标准模型下格上的密钥封装机制

密钥封装机制(key encapsulation mechanism,KEM)使得会话双方能够安全地共享一个随机的会话密钥,改善了使用公钥加密明文时空间受限的问题,是大规模网络中密钥分发和密钥管理问题的有效解决方案之一。提出一种标准模型下安全高效的格上的密钥封装机制,将陷门函数与带误差学习问题(learning with errors,LWE)算法相结合,并引入参与者的身份信息,保证密钥封装机制的机密性和可认证性,可抵抗现有已知量子算法攻击。采用密文压缩技术,对封装后的密文元素进行压缩,分析结果表明,能够有效提高传输效率。在标准模型下,该机制安全性归约至判定性LWE的难解性,并包含严格的安全性证明。其安全性为可证明的选择密文安全,适用于多种类型基于格的密钥交换协议方案。     

理想格上的多阶段认证密钥交换协议

现有的格基认证密钥交换协议普遍基于Bellare-Rogaway等单阶段模型,忽略了实际通信场景中会话密钥建立的阶段分离。针对这一问题,基于MSKE模型提出了一种格基多阶段认证密钥交换协议。该方案使用预共享的口令进行认证,并使用Peikert误差消除机制结合服务器静态密钥实现多阶段密钥协商。分析表明,该方案整体只引入少量计算开销,实现了双向认证、二阶会话密钥完美前向保密、抗量子攻击等特性,在MSKE模型下满足KD-2FS-M安全等级,是一种简单高效的后量子多阶段密钥交换协议。     

一种新型基于Binary-LWE的认证密钥交换协议

为了设计一种基于格困难问题的强安全认证密钥交换协议,分析了DXL12和DXL14方案中缺少认证功能导致容易遭受中间人攻击等缺陷,提出一种基于Binary-LWE的认证密钥交换协议。该协议具有两轮消息交互,不依赖于数字签名提供隐式密钥认证,并采用2012年Micciancio和Peikert在欧密会上提出的陷门函数来提供双方认证功能。在随机语言机模型下将安全性直接建立在Binary-LWE问题的困难性假设上,具有前向安全性、抗中间人攻击、抗冒充攻击等安全属性。由于该方案的安全性是基于格上困难问题,所以可以抵抗量子攻击。     

基于理想格的用户匿名口令认证密钥协商协议

基于标准格的密钥协商协议具有较长的密钥长度和较高的密文扩张率,且格的表示方式需要较大的空间,而理想格具有密钥长度短和运行效率高等优点。因此,结合环上误差学习问题,提出基于理想格的用户匿名口令认证密钥协商协议。使用低熵的口令,通过服务器实现相互认证和共享会话密钥,以避免在身份认证过程中用户长期密钥的存储安全受到威胁。分析结果表明,与传统的2PAKE和3PAKE协议相比,该协议具有较高的效率和较短的密钥长度,能够抵抗量子攻击,适用于大规模网络通信。     

基于RLWE的双因子三方认证密钥交换协议

为了使格上Diffie-Hellman式密钥交换协议能够实现认证性并且适用于客户-服务器-客户模式的大规模通信,提出了一个基于环上误差学习RLWE的双因子三方认证密钥交换协议。该协议将口令和生物特征作为客户的长期密钥,实现服务器对客户的显式身份认证。首先利用环上误差学习的困难问题的优势（密钥及密文尺寸短、运行效率高）来构造密码体制;其次服务器通过口令和生物特征的哈希值传递环元素,并结合丁式错误协调机制使得通信方获得随机均匀的会话密钥。最后分析表明,该协议适用于大规模通信,提高了通信量,具有更高的安全属性,可以抵抗口令泄露用户假冒攻击。     

一种基于NTRU新型认证密钥协商协议的设计

NTRU是目前最实用的基于格构造的密码体制,然而相对于基于NTRU的加密、签名方案,其密钥协商协议却一直很少见诸文献。针对这一问题,提出了一种基于NTRU格的认证密钥协商协议。在随机预言机模型下,该方案是eCK模型中可证明安全,并且可以抵抗中间人攻击、重放攻击、冒充攻击、达到弱完美前向安全;与传统的DH、ECDH等方案相比,该方案计算效率更高,同时因其安全性可以规约到基于格中最短向量困难问题,可以抗量子攻击。     

基于多比特全同态加密的安全多方计算

本文中,我们首先证明了李增鹏等人提出的多比特多密钥全同态加密方案(MFHE)满足密钥同态性质,利用此性质,可以通过门限解密得到最终解密结果.使用该方案,我们设计了一个在CRS模型下和半恶意攻击者模型下安全的三轮多方计算协议(MPC).该安全多方计算协议的安全性是基于容错学习问题(LWE)的两个变种问题Ferr LWE和Some are errorless.LWE,而且,通过非交互的零知识证明,我们可以把半恶意攻击者模型下安全的三轮多方计算协议转变为在恶意模型下安全的三轮多方计算协议.     

基于量子Calderbank-Shor-Steane纠错码的量子安全直接通信

量子安全直接通信是继量子密钥分配之后提出的又一重要量子密码协议,它要求通信双方在预先不需要建立共享密钥的情况下就可以实现消息的保密传输.给出了一个新的量子安全直接通信方案,该方案利用量子Calderbank-Shor-Steane(CSS)纠错码和未知量子态不可克隆等性质,方案的安全性建立在求解一般的线性码的译码问题是一个NP完全问题、Goppa码有快速的译码算法和量子图灵机不能有效求解NP完全问题的基础上.在协议中,发送方Alice把要发送的秘密消息转化为一一对应的错误向量,把错误向量加到其接收到的、Bob编码过的量子态上,并发给接收方Bob.Bob利用其私钥,通过测量、解码可以得到错误向量,并可以用相应的算法恢复出秘密消息.控制量子信道的攻击者Eve不能恢复出秘密消息,因其不知道Bob的密钥.与已有的量子安全直接通信方案相比,该方案不需要交换任何额外的经典信息和建立量子纠缠信道.     

Provably secure three-party password authenticated key exchange protocol in the standard model

Three-party password authenticated key exchange protocol is a very practical mechanism to establish secure session key through authenticating each other with the help of a trusted server. Most three-party password authenticated key exchange protocols only guarantee security in the random oracle model. However, a random oracle based cryptographic construction may be insecure when the oracle is replaced by real function. Moreover, some previous unknown attacks appear with the advance of the adversary capability. Therefore, a suitable standard model which can imitate a wider variety of attack scenarios for 3PAKE protocol is needed. Aim at resisting dictionary attack, unknown key-share attack and password-compromise impersonation attack, an expanded standard model for 3PAKE protocol is given. Meanwhile, through applying ElGamal encryption scheme and pseudorandom function, a specific three-party password authenticated key exchange protocol is proposed. The security of the proposed protocol is proven in the new standard model. The result shows that the present protocol has stronger security by comparing with other existing protocols, which covers the following security properties: (1) semantic security, (2) key privacy, (3) client-to-server authentication, (4) mutual authentication, (5) resistance to various known attacks, and (6) forward security.     

Lattice-based certificateless encryption scheme

Certificateless public key cryptography (CL-PKC) can solve the problems of certificate management in a public key infrastructure (PKI) and of key escrows in identity-based public key cryptography (ID-PKC). In CL-PKC, the key generation center (KGC) does not know the private keys of all users, and their public keys need not be certificated by certification authority (CA). At present, however, most certificateless encryption schemes are based on large integer factorization and discrete logarithms that are not secure in a quantum environment and the computation complexity is high. To solve these problems, we propose a new certificate-less encryption scheme based on lattices, more precisely, using the hardness of the learning with errors (LWE) problem. Compared with schemes based on large integer factorization and discrete logarithms, the most operations are matrixvector multiplication and inner products in our scheme, our approach has lower computation complexity. Our scheme can be proven to be indistinguishability chosen ciphertext attacks (IND-CPA) secure in the random oracle model.     

前向安全的格上基于身份签密方案

针对目前基于格的签密方案尚不能满足前向安全性,提出一个具有前向安全的基于身份的签密方案。首先,该方案利用格基授权算法对用户和发送者的公私钥对进行更新;其次,结合基于格上错误学习问题的原像采样算法进行用户签名,并利用包含签名信息的哈希值对消息进行加密。在随机预言机模型下,证明该方案是适应性选择身份和选择密文攻击安全（IND-sID-CCA2）和强不可伪造选择消息攻击安全（sUF-CMA）的,同时证明了该方案具有前向安全性。相对于基于配对的签密方案,所提方案在计算速度和密文扩展率的优势都较为明显。     

多跳多策略属性基全同态加密方案

为解决单策略属性基全同态加密方案无法对不同策略函数对应的属性向量下的密文进行同态运算和访问控制，并且新的参与方密文无法动态地加入同态运算的问题，提出了一个基于误差学习（LWE）问题的高效的多跳多策略属性基全同态加密方案。首先，对单策略属性基全同态加密方案适当变形；其次，将方案对应到多用户场景；最后，利用多跳多密钥全同态转化机制来实现新的参与方密文加入后的同态运算。结果表明，该方案在功能上兼具属性基加密和多跳多密钥全同态加密的优势，并被证明为选择属性下的选择明文攻击不可区分性（IND-CPA）安全。与利用目标策略函数集合构造的多策略属性基全同态加密方案相比，该方案在不改变单个参与方私钥尺寸的情况下，密文/明文比明显降低，效率更高。