Beweisarchiv: Kryptografie: Pseudozufall: Sicherheit des s2-mod-n-Generators

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Sicherheit des s2-mod-n-Generators

Einleitung

Der s2-mod-n-Generator (auch: Blum-Blum-Shub-Generator) erzeugt mittels eines zufälligen Schlüssels n und eines Startwertes s (engl. seed) durch Quadrieren eine zufällige Bitfolge b0b1…bk.

Dazu werden zwei große Primzahlen p≡3(mod4) und q≡3(mod4) zufällig gewählt. Der im Folgenden verwendete Modulus n=p⋅q kann für ein Kryptosystem als öffentlicher Schlüssel verwendet werden. Die Bitfolge wird aus dem Startwert s∈ℤ/n× wie folgt rekursiv berechnet:

s0:=s2(modn)b0:=s0(mod2)si:=si−12(modn)bi:=si(mod2)

Behauptung

Der s2-mod-n-Generator ist genau dann kryptografisch sicher (auch: komplexitätstheoretisch sicher), wenn die folgende Behauptung bewiesen werden kann:

∀P   (polynomialer Vorhersagealgorithmus / Prädiktor)
∀δ, 0<δ<1   (Frequenz der unsicheren n)
∀t∈ℕ   (Grad der Polynome)

und wenn l=|n| genügend groß ist, gilt für alle Schlüssel n, ausgenommen den δ-Anteil:

W(P(n,b1,b2,…,bk)=b0|s∈ℤ/n×random)<12+1lt

Zur Erklärung:

Mit der „Frequenz der unsicheren n” ist gemeint, für wie viele der Schlüssel der s2-mod-n-Generator keine „guten” Zufallsbitfolgen generiert.

W(P(n,b1,b2,…,bk)=b0|s∈ℤ/n×random) ist die Wahrscheinlichkeit, dass der Prädiktor mit Kenntnis eines Teils der Bitkette b1b2…bk und des Modulus n das vorangegangene Zufallsbit b0 richtig vorhersagt, obwohl der Startwert s zufällig gewählt wurde.

Beweis mit Quadratische-Reste-Annahme

Annahme: Wir nehmen an, es gebe solch einen Prädiktor, der b0 zu b1b2…bk, n mit ϵ-Vorteil (also Wahrscheinlichkeit größer 12) richtig rät.

Es ist zu zeigen, dass die Annahme im Widerspruch zur Quadratischen-Reste-Annahme steht.

Widerspruchsbeweis:

Wir konstruieren aus P einen Prädiktor P′, der zu gegebenem s1 das letzte Bit von s0, also b0 vorhersagt.

Prädiktor P′:

P'(s[1], n){
  b[1] := s[1] (mod 2)
  for(1 < i <= k){
    s[i] := s[i-1] * s[i-1] (mod n)
    b[i] := s[i] (mod 2)
  }
  b[0] := P(b[·], n)
  return b[0]
}

Dieser verwendet P und rät damit ebenfalls mit ϵ-Vorteil richtig.

Unser Ziel ist es nun, aus P′ einen Algorithmus R zu entwickeln, der mit ϵ-Vorteil rät, ob ein beliebiges s′∈ℤ/n× mit Jacobi-Symbol (s′n)=1 quadratischer Rest ist.

R(s', n){
  s[1] := s' * s' (mod n)
  b[0] := P'(s[1], n)
  b' := letztesBit(s')   
  if(b[0] = b')
    return "s' ist quadratischer Rest"
  else
    return "s' ist nicht quadratischer Rest"
}

Wenn s′=s0 gilt, dann ist s′ quadratischer Rest, da s0 als erste Wurzel von s1 quadratischer Rest ist. Andernfalls kann s′ nicht quadratischer Rest sein, da nur eine der vier Wurzeln quadratischer Rest ist.

Nun müssen wir noch zeigen, dass es reicht, das letzte Bit von s′ mit b0 zu vergleichen.

1.Fall: s′=s0⇒b′=b0

2.Fall: s′≠s0 und (s′n)=(s0n)=1

⇒s′≡−s0(modn)
⇒s′=n−s0 und n ungerade
⇒b′≠b0

Damit ist der oben genannte Algorithmus R korrekt und sagt mit ϵ-Vorteil voraus, ob s′∈QRn. Dies ist ein Widerspruch zur Quadratischen-Reste-Annahme. Folglich gilt die obige Annahme nicht.

Beweis mit Faktorisierungsannahme

Vorlage:Hauptautor wünscht Mitarbeit Anmerkung: Es wäre schön, wenn noch jemand ergänzen könnte, wie man die Sicherheit des Generators auf Faktorisierung zurückführt.

Wikipedia-Verweise

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