《A Graduate Course in Applied Cryptography》Random oracle model

随机谕言机模型在密码学安全性分析中的应用

原文教材 与 参考资料:

        Boneh Dan , Shoup Victor . A Graduate Course in Applied Cryptography[J].

        该书项目地址(可以免费获取):http://toc.cryptobook.us/

        博客为对该书的学习笔记,并非原创知识,帮助理解,整理思路。

随机语言机模型的安全性定义

        假设我们有一些密码学协议S,这个协议的实现使用了一个子程序计算哈希函数H。协议S可以调用H在任意随机的点上,但是S不能看到H的内部是实现方式。我们定义S将H作为一个语言机。

       我们想要分析协议S的安全性,假设定义任意我们感兴趣的安全属性为“属性X”,并将其建模为一个挑战者(专门针对属性X)和敌手之间的游戏。挑战者计算协议S中的函数得到给敌手的回复结果,这些函数也可能要求计算H。这个游戏定义了这个属性的优势Xadv[A,S], 并且关于这个属性的安全意味着没有有效的敌手能够以不可忽略的优势赢得游戏。

        当我们想要在随机谕言机模型下分析这个方案S时,攻击游戏中的H被修改为一个随机函数O,这个函数来源于H的全映射函数。任何的挑战者和敌手都能够访问这个谕言机。

1. 在游戏的开始时,挑战者从函数集合Funs[M,T]中随机选取一个函数函数作为谕言机。

2. 此外,敌手A除了提交标准请求外,还能够提交随机谕言机请求,敌手可以任意的交叉提出标准请求和随机谕言机请求。

3. 在标准请求的过程中,挑战者使用O替换原来的H。 (在随机语言机模型中,其实本质上就是用一个随机置换替换掉了函数中需要计算H的部分,当然在定义的时候,我们亦可以分开来定义,专门定义一下谕言机的描述)

例子 :PRF在随机谕言机中的证明

 

### 随机预言机的概念及其在密码学协议中的应用 随机预言机(Random Oracle, RO)是一种理想化的哈希函数模型,在现代密码学理论中具有重要地位。它假设存在一种能够返回完全随机输出的黑盒机制,对于任何唯一的输入,该黑盒都会返回一个唯一且不可预测的随机值[^4]。 #### 定义 随机预言机被定义为一个理论上完美的哈希函数,其行为类似于一个真正的随机函数。具体来说,当给定一个新的输入 \( m \),随机预言机会返回一个从未见过的随机字符串作为输出;如果再次接收到相同的输入 \( m \),则会始终返回之前的结果。这种一致性与随机性的结合使得随机预言机成为分析加密方案安全性的重要工具[^5]。 #### 使用场景 随机预言机广泛应用于各种安全协议的设计和证明过程中: 1. **签名算法的安全性增强** 数字签名方案通常依赖于某种形式的消息摘要计算来验证数据完整性。通过引入随机预言机模型,可以简化复杂公钥基础设施下签名的有效性和抗伪造能力论证过程[^6]。 2. **密钥交换协议** 在Diffie-Hellman等类型的密钥协商协议中,利用基于随机预言机构建的伪随机数生成器可以帮助抵御中间人攻击以及其他潜在威胁[^7]。 3. **零知识证明系统优化** 对于某些特定种类的交互式或非交互式的零知识证明体系而言,采用随机预言机方法可以在不牺牲隐私保护的前提下提高效率并降低通信成本[^8]。 以下是实现简单版本模拟随机预言功能的一个Python代码片段示例: ```python import hashlib class SimpleRandomOracle: def __init__(self): self.cache = {} def query(self, message: str) -> bytes: if isinstance(message,str): # Ensure input is string type before hashing. encoded_message=message.encode('utf-8') hash_value=hashlib.sha256(encoded_message).digest() if not (encoded_message in self.cache.keys()): self.cache[encoded_message]=hash_value return self.cache.get(encoded_message) ro_instance = SimpleRandomOracle() print(ro_instance.query("test")) ```
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