Доказательство с нулевым разглашением (знанием) (Zero-knowledge proof) представляет собой криптографический протокол, позволяющий одной из сторон (проверяющему, стороне B) убедиться в том, что вторая сторона (доказывающая, сторона A) знает какое-либо утверждение, при этом проверяющий не получает никакой другой информации о самом утверждении. Другими словами, А доказывает знание секрета, не разглашая самого секрета.

Использовать доказательства с нулевым знанием для доказательства идентичности было впервые предложено Уриелем Файгом, Амосом Фиатом и Ади Шамиром. В данном случае пользователь доказывает знание своего закрытого ключа, который в данном случае выступает в роли секрета, не раскрывая его. Таким образом, он доказывает свою идентичность.

Доказательство с нулевым разглашением обладает тремя основными свойствами:
1. Полнота. Если доказывающий знает утверждение, то он сможет убедить в этом проверяющего.
2. Корректность. Если доказывающий не знает утверждение, то он может обмануть проверяющего только с пренебрежимо малой вероятности.
3. Нулевое разглашение. Проверяющий, даже если он ведет себя нечестно, не узнает ничего кроме самого факта, что утверждение известно доказывающему.

Доказательство имеет форму интерактивного протокола. Это означает, что сторона B задает ряд вопросов доказывающему, которые если знает секрет, то ответит на все вопросы правильно. Если секрет стороне A неизвестен, но она хочет убедить в обратном проверяющего, у нее есть некоторая вероятность (может быть 50 %, как в примерах в данном топике) ответить правильно на вопрос. Однако, после некоторого количества вопросов (10 - 20) проверяющий с достаточно высокой вероятностью убеждается в том, что доказывающий не знает секрет. При этом, ни один из ответов не дает никаких сведений о самом секрете.

Пещера нулевого знания

Хорошо поясняют доказательство с нулевым знанием Жан-Жак Кискатер и Луи Гиллу с помощью истории о пещере Али-Бабы (см. рисунок). Чтобы пройти сквозь пещеру, необходимо открыть дверь между C и D. Дверь открывается только тогда, когда кто-нибудь произносит волшебные слова. Пусть Пегги знает волшебные слова и хочет доказать это Виктору, не раскрывая самих слов.

Вот как происходит доказательство с нулевым знанием в данном случае:
1. Виктор находится в точке А.
2. Пегги проходит весь путь по пещере до двери либо по проходу C, либо по проходу D. Виктор не видит в какую сторону пошла Пегги. После того, как Пегги исчезнет в пещере, Виктор переходит в точку В.
3. Виктор кричит Пегги, чтобы она вышла из пещеры либо из левого прохода, либо из правого прохода.
4. Пегги, при необходимости используя волшебные слова, чтобы отпереть дверь, выходит из пещеры из того прохода, из которого просил ее выйти Виктор.
5. Пегги и Виктор повторяют этапы 1-4 некоторое количество раз.

В случае когда Пегги не знает секрета, то она не сможет обмануть Виктора, если этапы доказательства (аккредитации) повторяются несколько раз подряд. Так как она может выйти только из того прохода, в который она зашла, в каждом раунде протокола вероятность угадать, с какой стороны Виктор попросит ее выйти, составляет 50 %. Соответственно, ее вероятность обмануть Виктора также равна 50 %. Однако, вероятность обмануть его в двух раундах составит уже 25 %, а в n раундах у нее есть только один шанс из 2^n. Виктор может уверенно предположить, что если все n (n=10-20) раундов доказательства Пегги правильны, то она действительно знает тайные слова, открывающие дверь между точками С и D.

Если Виктор записывает все, что происходит на видеокамеру, то данная видеозапись не является доказательством для третьей стороны. Пегги и Виктор могли заранее договориться о том, откуда Виктор будет просить ее выйти. Тогда она будет каждый раз выходить из указанного Виктором места, не зная волшебных слов. С другой стороны, Виктор может подделать видеозапись, оставив в ней только удачные попытки Пегги, вырезав все остальное.

Следует отметить, что аналогия с пещерой не совсем верна. Так как для доказательства знания слов Пегги может просто входить с одной стороны, при этом Виктор видит в какую сторону она пошла, и выходить с другой. Однако, это протокол отлично описывает доказательство с нулевым знанием с математической точки зрения.

Протокол Фиата-Шамира

Одним из наиболее известных протоколов идентификации личности с помощью доказательства с нулевым знанием является протокол, предложенный Амосом Фиатом и Ади Шамиром, стойкость которого основывается на сложности извлечения квадратного корня по модулю достаточно большого составного числа n, факторизация которого неизвестна.

Предварительно, перед самим доказательством доверенный центр T выбирает и публикует модуль достаточно большого числа n = p*q, разложить на множители которое трудно. При этом p, q – простые числа и держатся в секрете. Каждый пользователь A выбирает секретное s из интервала (1, n−1) взаимно простое с n. Затем вычисляется открытый ключ v = s^2 (mod n).

Полученное v регистрируется центром доверия в качестве открытого ключа пользователя A, а значение s является секретом A. Именно знание этого секрета s необходимо доказать A стороне В без его разглашение за t раундов. Каждая аккредитация состоит из следующих этапов:
1. А выбирает случайное r из интервала (1, n−1) и отсылает x = r^2 (mod n) стороне B.
2. B случайно выбирает бит e (0 или 1) и отсылает его A.
3. А вычисляет y = r*s^e (mod n) и отправляет его обратно к B.
4. Сторона B проверяет равенство y^2 ≡ x*v^e (mod n). Если оно верно, то происходит переход к следующему раунду протокола, иначе доказательство не принимается.

Выбор е из множества предполагает, что если сторона А действительно знает секрет, то она всегда сможет правильно ответить, вне зависимости от выбранного e. Допустим, что А хочет обмануть B, выбирает случайное r и отсылает x = r^2 / v, тогда если е=0, то А удачно возвращает B y = r, в случае же е=1, А не сможет правильно ответить, т.к. не знает s, а извлечь квадратный корень из v по модулю n достаточно сложно.

Вероятность того, что пользователь А не знает секрета s, но убеждает в обратном проверяющего B будет оцениваться вероятностью равной p = =2^(–t), где t – число аккредитаций. Для достижения высокой достоверности его выбирают достаточно большим (t = 20 − 40). Таким образом, B удостоверяется в знании А тогда и только тогда, когда все t раундов прошли успешно.

Для того чтобы этот протокол корректно выполнялся, сторона А никогда не должна повторно использовать значение x. Если бы А поступил таким образом, а B во время другого цикла отправил бы А на шаге 2 другой случайный бит r, то B бы имел оба ответа А. После этого B может вычислить значение s, и ему будет известен секретный ключ Алисы.

Заключение

Для таких реализаций, как интеллектуальные карточки, описанные протокол Фиата-Шамира не слишком подходит, так как обмены с внешним миром требуют времени, а хранение данных для каждой аккредитации может быстро исчерпать ограниченные возможности карточки. Поэтому Гиллу и Кискатр разработали алгоритм идентификации с нулевым знанием, больше подходящий для подобных приложений. Обмены между Пегги и Виктором, а также параллельные аккредитации в каждом обмене сведены к абсолютному минимуму: для каждого доказательства существует только один обмен, в котором - только одна аккредитация. Существует также схема Шнорра, которая является альтернативой схеме Гиллу-Кискатра и Фиата-Шамира. Если тема понравиться, то я напишу про них в следующем своем топике.

Предположим, что Алиса знает доказательство некоторой теоремы и желает убедить Боба в том, что теорема верна. Конечно, Алиса может просто передать доказательство Бобу на проверку. Но тогда впоследствии Боб сможет сам, без помощи Алисы, доказывать третьим лицам эту теорему. А может ли Алиса убедить Боба так, чтобы он не получил при этом никакой информации, которая помогла бы ему восстановить доказательство теоремы? Этим двум, казалось бы взаимно исключающим требованиям, удовлетворяют протоколы доказательства с нулевым разглашением. Последнее понятие было введено Гольдвассер, Микали и Ракоффом в 1985 г. .

Рассматривается следующая модель протокола. В распоряжении Алисы и Боба имеются вероятностные машины Тьюринга соответственно. Вычислительные ресурсы, которые может использовать Алиса, неограничены, в то время как машина V работает за полиномиальное время. Машины имеют общую коммуникационную ленту для обмена сообщениями. После записи сообщения на коммуникационную ленту машина переходит в состояние ожидания и выходит из него, как только на ленту будет записано ответное сообщение. Машины имеют также общую входную ленту, на которую записано входное слово х. Утверждение, которое доказывает Алиса, суть где некоторый фиксированный (известный и Алисе, и Бобу) язык. Чтобы избежать тривиальности, язык должен быть трудным (например, NP-полным), иначе Боб сможет самостоятельно проверить, что По существу, протокол доказательства состоит в том, что Боб, используя случайность, выбирает некоторые вопросы, задает их Алисе и проверяет правильность ответов. Выполнение протокола завершается, когда машина V останавливается, при этом она выдает 1, если доказательство принято, и 0 - в противном случае.

Пусть две интерактивные, т. е. взаимодействующие через общую коммуникационную ленту, вероятностные машины Тьюринга. Через обозначается случайная величина - выходное слово машины А, когда А к В работают на входном слове х. Через обозначается длина слова х.

Определение 4. Интерактивным доказательством для языка называется пара интерактивных машин Тьюринга такая, что выполняются следующие два условия.

1. (Полнота). Для всех

2. (Корректность). Для любой машины Тьюринга для любого полинома и для всех достаточно большой длины

Полнота означает, что если входное слово принадлежит языку и оба участника, и Алиса, и Боб, следуют протоколу, то доказательство будет всегда принято. Требование корректности защищает Боба от нечестной Алисы, которая пытается обмануть его, «доказывая» ложное утверждение. При этом Алиса может каким угодно образом отклоняться от действий, предписанных протоколом, т. е. вместо машины Тьюринга использовать любую другую машину Требуется, чтобы вероятность обмана была в любом случае пренебрежимо малой.

Определение 5. Интерактивный протокол доказательства для языка называется доказательством с абсолютно нулевым разглашением, если, кроме условий 1 и 2, выполнено еще и следующее условие.

3. (Свойство нулевого разглашения). Для любой полиномиальной вероятностной машины Тьюринга V существует вероятностная машина Тьюринга работающая за полиномиальное в среднем время, и такая, что для всех

Машина называется моделирующей машиной для Предполагается, что математическое ожидание времени ее работы ограничено полиномом от длины х. Это означает, что в принципе может, в зависимости от того, какие значения примут используемые в ее работе случайные переменные, работать достаточно долго. Но вероятность того, что время ее работы превысит некоторую полиномиальную границу, мала. Для каждой машины V строится своя моделирующая машина; последняя может использовать V как подпрограмму. Через обозначается случайная величина - выходное слово машины когда на входе она получает слово х.

Свойство нулевого разглашения защищает Алису от нечестного Боба, который, произвольно отклоняясь от действий, предписанных протоколом (используя V вместо V), пытается извлечь из его выполнения дополнительную информацию. Условие 3 означает, что Боб может при этом получить только такую информацию, которую он смог бы вычислить и самостоятельно выполнения протокола) за полиномиальное время.

Приведем в качестве примера протокол доказательства с абсолютно нулевым разглашением для языка из работы Гольдрайха, Микали и Вигдерсона . Входным словом является пара графов и Здесь множество вершин, которое можно отождествить с множеством натуральных чисел множества ребер такие, что Графы называются изоморфными, если существует перестановка на множестве такая, что тогда и только тогда, когда (обозначается Задача распознавания изоморфизма графов - хорошо известная математическая задача, для которой на данный момент не известно полиномиальных алгоритмов. С другой стороны, неизвестно, является ли эта задача NP-полной, хотя есть веские основания предполагать, что не является.

Протокол IG

Пусть изоморфизм между Следующие четыре шага выполняются в цикле раз, каждый раз с независимыми случайными величинами.

1. Р выбирает случайную перестановку на множестве вычисляет и посылает этот граф

2. V выбирает случайный бит а и посылает его

3. Если то посылает V перестановку в противном случае - перестановку о

4. Если перестановка, полученная V, не является изоморфизмом между то V останавливается и отвергает доказательство. В противном случае выполнение протокола продолжается.

Если проверки п. 4 дали положительный результат во всех циклах, то V принимает доказательство.

Заметим, что если в протоколе IG машина получает изоморфизм в качестве дополнительного входного слова, то ей для выполнения протокола не требуются неограниченные вычислительные ресурсы. Более того, в этом случае может быть полиномиальной вероятностной машиной Тьюринга.

Теорема 2 (). Протокол IG является доказательством с абсолютно нулевым разглашением для языка ИЗОМОРФИЗМ ГРАФОВ.

Полнота протокола IG очевидна.

Для доказательства корректности достаточно заметить, что бит а, который V выбирает на шаге 2, указывает для какого из графов - или требуется продемонстрировать изоморфизм с графом Если не изоморфны, то может быть изоморфен, в лучшем случае, одному из них. Поэтому проверка п. 4 даст положительный результат с вероятностью 1/2 в одном цикле и с вероятностью во всех циклах.

Доказательство свойства нулевого разглашения значительно сложнее. Поэтому мы воспроизводим только основную идею. Прежде всего, заметим, что основная задача машины V - получить максимально возможную информацию об изоморфизме между Естественно предположить, что она, в отличие от V, будет выдавать в качестве выходного слова не один бит, а всю полученную в результате выполнения протокола информацию, включая содержимое своей случайной ленты, графы и перестановки, полученные соответственно на шагах 1 и 3 протокола IG. Моделирующая машина должна уметь строить такие же случайные строки, графы и перестановки, не зная при этом изоморфизм Поэтому пытается угадать тот бит а, который будет запросом машины V на шаге 2. Для этого выбирает случайный бит случайную перестановку и вычисляет Далее запоминает состояние машины V (включая содержимое случайной ленты) и вызывает ее как подпрограмму, подавал ей на вход граф Ответом машины V будет некоторый бит а. Если то моделирование в данном цикле завершено успешно, поскольку может продемонстрировать требуемый изоморфизм. Если же а то восстанавливает ранее сохраненное состояние машины V и повторяет попытку.

Если в определении свойства нулевого разглашения заменить равенство случайных величин требованием, чтобы их распределения вероятностей «почти не отличались», то получится другая разновидность доказательств - доказательства со статистически нулевым разглашением.

Еще один тип - доказательства с вычислительно нулевым разглашением. В этом случае требуется, чтобы моделирующая машина создавала распределение вероятностей, которое неотличимо от никаким полиномиальным вероятностным алгоритмом (неотличимость здесь определяется аналогично тому, как это делалось в определении псевдослучайного генератора).

Подчеркнем особо, что во всех трех определениях нулевого разглашения условия накладываются на действия моделирующей машины только на тех словах, которые принадлежат языку.

Помимо интереса к доказательствам с нулевым разглашением как к нетривиальному математическому объекту, они исследуются также и в связи с практическими приложениями. Наиболее естественный и важный тип таких приложений - протоколы аутентификации (см. главу 3). С помощью такого протокола Алиса может доказать Бобу свою аутентичность.

Предположим, например, что Алиса - это интеллектуальная банковская карточка, в которой реализован алгоритм а Боб - это компьютер банка, выполняющий программу Прежде чем начать выполнение каких-либо банковских операций, банк должен убедиться в подлинности карточки и идентифицировать ее владельца, или, говоря на языке криптографии, карточка должна пройти аутентификацию. В принципе для этой цели можно использовать приведенный выше протокол IG. В этом случае в памяти банковского компьютера хранится пара графов сопоставленная Алисе, а на интеллектуальной карточке - та же пара графов и изоморфизм Предполагается, что, кроме Алисы, этот изоморфизм никто не знает (кроме, быть может, Боба) и поэтому с помощью протокола IG карточка доказывает свою аутентичность. При этом свойство полноты означает, что карточка наверняка докажет свою аутентичность. Свойство корректности защищает интересы банка от злоумышленника, который, не являясь клиентом банка, пытается пройти аутентификацию, используя фальшивую карточку. Свойство нулевого разглашения защищает клиента от злоумышленника, который, подслушав одно или более выполнений протокола аутентификации данной карточки, пытается пройти аутентификацию под именем Алисы. Конечно, в данном случае бессмысленно доказывать, что пара графов принадлежит языку ИЗОМОРФИЗМ ГРАФОВ, поскольку она заведомо выбирается из этого языка. Вместо этого Алиса доказывает, что она знает изоморфизм Интерактивные доказательства такого типа называются доказательствами знания.

Для практического применения очень важным свойством протокола IG, как и других протоколов доказательства знания, является то, что алгоритм получивший в качестве дополнительного входа изоморфизм работает за полиномиальное время. Вместо протокола IG можно использовать, вообще говоря, любое другое доказательство с нулевым разглашением, в котором алгоритм обладает этим свойством. Но для реальных приложений протокол IG, как и большинство подобных протоколов, не эффективен: большое количество циклов, слишком длинные сообщения и т. д. Поиск более эффективных доказуемо стойких протоколов - одно из основных направлений исследований в данной области.

Пусть задана интерактивная система доказательства (P,V,S).
В определении интерактивной системы доказательства ранее не предполагалось, что V может быть противником (предполагалась только возможность существования нечестного участника Р"). Но V может оказаться противником, который хочет выведать у Р какую- либо новую полезную информацию об утверждении S. В этом слу-чае Р может не хотеть, чтобы это случилось в результате работы
протокола интерактивной системы доказательства. Таким
28 Запечников С. В. Криптографические протоколы и их прішеиеиие
образом приходим к идее протокола доказательства с нулевым раз-глашением знания (zero-knowledge proof). Нулевое разглашение зна-ния подразумевает, что в результате работы протокола интерактивной системы доказательства V не увеличит свои знания об утвер-ждении S, или, другими словами, не сможет извлечь никакой информации о том, почему S истинно.
Как и ранее, в протоколе предварительно формулируется неко-торое утверждение S, например о том, что некоторый объект w об-ладает свойством L: we L. В ходе протокола Р и V обмениваются сообщениями. Каждый из них может генерировать случайные числа и использовать их в своих вычислениях. В конце протокола V дол-жен вынести свое окончательное решение о том, является ли S ис-тинным или ложным.
Цель Р всегда состоит в том, чтобы убедить V в том, что S ис-тинно, независимо от того, истинно ли оно на самом деле или нет, т. е. Р может быть активным противником, а задача V - проверять аргументы Р. Цель участника V заключается в том, чтобы вынести решение, является ли S истинным или ложным. Как и ранее, V имеет полиномиально ограниченные вычислительные возможности, а именно время его работы ограничено некоторым полиномом от
длины доказываемого утверждения: tРассмотрим теперь примеры протоколов доказательства с нулевым разглашением знания.
1. «Задача о пещере Али-Бабы». Имеется пещера, план которой показан на рис. 1.2. Пещера имрет дверь с секретом между точками С и D. Каждый, кто знает волшебные слова, может открыть эту дверь и пройти из С в D или наоборот. Для всех остальных оба хода пещеры ведут в тупик.
Пусть Р знает секрет пещеры. Он хочет доказать V знание этого секрета, не разглашая волшебные слова. Вот протокол их общения:
V находится в точке А;
Р заходит в пещеру и добирается либо до точки С, либо до точки D\
После того как Р исчезает в пещере, V приходит в точку В, не зная, в какую сторону пошел Р\
V зовет Р и просит его выйти либо из левого, либо из правого коридора пещеры согласно желанию V;
Р выполняет это, открывая при необходимости дверь, если, конечно, он знает волшебные слова;
Р и V повторяют шаги (1) - (5) п раз.

После п раундов протокола вероятность сократится до 1/2".
2. Доказательство изоморфизма графов. Р хочет доказать V изо-морфизм графов Go и Gb ПустьG, = (p(G0):G0 = G, где ф - пре-образование изоморфизма; т - мощность множества N вершин графов. В табл. 1.4 приведен протокол доказательства данного утвер-ждения.
Поясним строение этого протокола. На шаге (1) участник Р создает случайный граф Я, изоморфный G\. На шаге (2) участник V, выбирая случайный бит а = {0Д}, тем самым просит доказать, что
Н ~G0 либо что Н « Gj. На шаге (3) участник Р посылает участни-ку V преобразование \|/, которое он строит таким образом, что при а = 1 в результате применения этого преобразования к графу Gu по-лучается граф F1 = TtG, = Н. а при а = 0 в результате применения этого преобразования к графу Ga получается граф F0 =
зо Запечников С. В. Криптографические протоколы и их применение
= 7i((p(G0))~7iG] = #, На шаге (4) участник V, выполняя проверку равенства графов, тем самым определяет, выполнено ли условие
Н = Fa. Шаги (1) - (4) повторяются т раз. Если во всех т раундах этого протокола результат проверки оказывается положительным, V принимает доказательство.
Таблица 1.4. Протокол доказательства изоморфизма графов Р V 1 % - случайная перестановка вершин, вычисляет H = nGl 2 f п, если (а -1),
V = 1 / ч 1 л о ф, если (а = 0) -> т раз 4 Вычисляет граф \j/Ga и сравнивает: Н =\jfGa 5 Принимает доказательство тогда и только тогда, когда для Vm
Этот протокол действительно является протоколом с нулевым разглашением знаний, так как в случае изоморфных G0 ~ Gx участ-ник V не получает никакой информации, кроме изоморфизмов гра-фов G0 и G\ с какими-то их случайными перенумерациями, которые он мог бы получить и самостоятельно, выбирая случайный бит а и перенумеровывая случайным образом граф Ga .
3. Доказательство знания дискретного логарифма х числа X. Перед началом работы протокола задаются открытые величины: р,
q - простые числа, такие, что q\(p -1), элемент g е Z*, число X. До- ]. Базовые криптографические протоколы 31
называющему Р известна секретная величина x\xТаблица 1.5. Протокол доказательства знания дискретного логарифма Р V I r&RZ
М = g (mod р) 2 А. Доказательство знания представления числа у в базисе (zero- knowledge proof of knowledge of у representation). Перед началом работы протокола задаются открытые величины, известные всем уча-стникам: простые числа р, q, элементы y,gvg2,..., gk Є Gq. Доказы-вающему P известны секретные величины ара 2,...,ake ZQ: у =
= 8і" " 8г1""> знание которых он должен доказать V, не разгла-шая самих этих величин. Протокол представлен в табл. 1.6.
Таблица 1.6. Протокол доказательства знания представления
числа в базисе Р V 1 rl.r2,...,rk. ЄІ{ Zq, 2 5. Доказательство знания представления множества чисел в соответствующих базисах (zero-knowledge proof of knowledge of equality of representation of all y(j) in the respective bases). Перед началом работы протокола задаются открытые величины, извест-
W I >\
ные всем участникам: простые числа р, q, элементы у, 82^є для некоторых (/). Доказывающему Р известны сек-ретные величины 0С[,а2,...,а,. є Zq, такие, что для V/ у^ =
= (і^) " 1 > знание которых он должен доказать V,
не разглашая самих этих величин. В табл. 1.7 приведен протокол, который решает эту задачу.
Таблица 1.7. Протокол доказательства знания множества чисел
в соответствующих базисах Р V 1 rvr21...lrkeR ля У/ 2 (АиП«іТ-(ьТ-
6. Доказательство знания мультипликативной связи «депониро-ванных» величин (zero-knowledge proof of knowledge of multiplicative rela-tion between committed values). Элемент X = gx циклической подгруп-пы простого порядка, в которой задача дискретного логарифмирования считается вычислительно-сложной, называется депонированной вели-чиной (committed value), представляющей секретную величину х. Пусть
d - неизвестный элемент, такой, что h = gd . Перед началом работы протокола задаются открытые величины: простые числа р, q, элементы А, В, С Є Gq . Доказывающему Р известны секретные величины
a, a, b, Ь, с, с, такие, что с = ab, A = gah"\ В = gbhb, С = gche. Знание их он и должен доказать V, не разглашая самих величин. В табл. 1.8 при-веден протокол такого доказательства.
Таблица 1.8. Протокол доказательства знания мультипликативной связи депонированных величин Р V 1 М=і">/Ї, j Mt = gx-h*\ ¦ M2= Bx ¦ h"1 2 =CK-M2
разглашением знания
Таблица 1.9. Структура протоколов доказательства с нулевым P S: x є L- доказываемое утверждение, h - dp, общедоступные параметры и величины, s - секретные данные дока-зывающего о том, почему S истинно, г- случайное число V 1 rp- случ., 2 rv - случай-ное число,
с = ЛМ Обобщим рассмотренные примеры и сформулируем ряд определений. В общем виде протокол интерактивного доказательства с ну-левым разглашением знания (табл. 1.9) состоит из четырех шагов:
Окончание табл. 1.9 Р S: хе L- доказываемое утверждение, h - др. общедоступные параметры и величины, s - секретные данные дока-зывающего о том, почему S истинно, г - случайное число V 3 R = f3(C,x) 4
доказывающий передает проверяющему так называемое сви-детельство (witness -W)- результат вычисления однонаправленной функции от секретной величины, знание которой он доказывает;
проверяющий посылает ему случайный запрос;
доказывающий отвечает на этот запрос, причем ответ зависит как от случайного запроса, так и от секретной величины, но из него вычислительно невозможно получить эту секретную величину;
получая ответ, V проверяет его соответствие «свидетельству», переданному на первом шаге.
Рассмотрим основные принципы построения доказательств с ну-левым разглашением знания: что подразумевает свойство нулевого разглашения знания.
В теории доказательств с нулевым разглашением знания Р и V рассматриваются как «черные ящики» (рис. 1.3).
Пусть \тр }, \}Пу } - совокупность всех сообщений, передаваемых от Р к V (соответственно от У к Р), каждое из которых является слу-чайной величиной, и, таким образом, {x,h,rv,{mp},{mv}} = = viewpy Тематики защита информации Синонимы НДНР EN non iterative zero knowledge proofNIZK … Справочник технического переводчика

Криптография - Немецкая криптомашина Lorenz использовалась во время Второй мировой войны для шифрования самых секретных сообщений Криптография (от др. греч … Википедия

Список алгоритмов - Эта страница информационный список. Основная статья: Алгоритм Ниже приводится список алгоритмов, группированный по категориям. Более детальные сведения приводятся в списке структур данных и … Википедия

Криптограф - Немецкая криптомашина Lorenz, использовалась во время Второй мировой войны для шифрования самых секретных сообщений Криптография (от греч. κρυπτός скрытый и γράφω пишу) наука о математических методах обеспечения конфиденциальности… … Википедия

Программируемые алгоритмы - Служебный список статей, созданный для координации работ по развитию темы. Данное предупреждение не устанавл … Википедия

SRP - Secure Remote Password Protocol (SRPP) протокол парольной аутентификации, устойчивый к прослушиванию и MITM атаке и не требующий третьей доверенной стороны. SRP содержит некоторые элементы из других протоколов обмена ключами и идентификации … Википедия

Протокол Фиата - Протокол Фиата Шамира это один из наиболее известных протоколов идентификации с нулевым разглашением (Zero knowledge protocol). Протокол был предложен Амосом Фиатом (англ. Amos Fiat) и Ади Шамиром (англ. Adi Shamir) Пусть А… … Википедия

Протокол Фиата-Шамира - Протокол Фиата Шамира это один из наиболее известных протоколов идентификации с нулевым разглашением (Zero knowledge protocol). Протокол был предложен Амосом Фиатом(англ. Amos Fiat) и Ади Шамиром(англ. Adi Shamir) Пусть А знает некоторый… … Википедия

Одна из лучших сторон современной криптографии - это ее прекрасная терминология. Можно создать сколько угодно панк-групп с названиями вроде Hardcore Predicate, Trapdoor Function или Impossible Differential Cryptanalysis. Однако есть термин, который превосходит все остальные. Это Zero Knowledge Proof - «доказательство с нулевым разглашением» .

Термин «с нулевым разглашением» настолько привлекателен, что это приводит к проблемам. Люди используют его неправильно, предполагая, что нулевое разглашение - это синоним «очень-очень надежной безопасности» . Из-за этого его используют с чем угодно - в том числе с системами шифрования и сетями анонимизации - которые на самом деле не имеют никакого отношения к протоколам с нулевым разглашением.

Я пишу это, чтобы подчеркнуть, что доказательства с нулевым разглашением входят в число самых мощных инструментов, когда-либо придуманных криптографами. К сожалению, понимают их настолько же плохо. В этой серии записей я попытаюсь доступно описать, что такое доказательства с нулевым разглашением и что делает их такими особенными. Мы также рассмотрим некоторые протоколы с нулевым разглашением, используемые в реальном мире.

История нулевого разглашения

Концепцию «нулевого разглашения» впервые предложили в 1980-х исследователи из MIT Шафи Гольдвассер (Shafi Goldwasser), Сильвио Микали (Silvio Micali) и Чарльз Рекофф (Charles Rackoff). Они изучали проблемы, связанные с интерактивными системами доказательства - теоретическими системами, в которых одна сторона («Prover» - Доказывающий), обменивающаяся сообщениями со второй стороной («Verifier» - Проверяющий), пытается убедить ее в истинности какого-либо математического утверждения.*

До Гольдвассер и ее коллег работы в этой области в основном фокусировались на корректности системы доказательства. Иначе говоря, ученые рассматривали ситуации, в которых злой Доказывающий пытался «обманным путем убедить» Проверяющего поверить в ложное утверждение. Гольдвассер, Микали и Рекофф перевернули проблему с ног на голову. Вместо того чтобы беспокоиться только о Доказывающем, они решили рассмотреть, что происходит, если вы не доверяете Проверяющему.

Конкретной проблемой, которую они поставили, была утечка информации. Ученые задались вопросом, сколько дополнительной информации Проверяющий узнает в ходе доказательства помимо того факта, что утверждение истинно.

Важно отметить, что это было сделано не просто из теоретического интереса - у таких задач есть реальные сферы применения. Вот один из таких сценариев: представьте, что пользователь в реальном мире хочет войти на веб-сервер с помощью пароля. Стандартный «реалистичный» подход к этой проблеме включает сохранение хешированной версии пароля на сервере. Таким образом, вход на сервер можно рассматривать как своеобразное «доказательство» того, что хеш пароля является результатом применения хеш-функции к какому-то паролю и что клиент на самом деле знает пароль.

Большинство реальных систем реализуют это «доказательство» наихудшим способом из возможных: клиент просто передает оригинальный пароль серверу, который вычисляет хеш пароля и сравнивает его с сохраненным значением. Недостаток такого подхода очевиден: сервер узнал незашифрованный пароль клиента. Таким образом, современная парольная гигиена во многом основана на предположении, что сервер не скомпрометирован.

То, что предложили Гольдвассер, Микали и Рекофф, возродило надежду на реализацию доказательств с нулевым разглашением, доказуемо не сообщающих никакой информации, кроме одного бита, означающего «это утверждение истинно».

Пример из «реального мира»

Пока наше обсуждение довольно абстрактно, так что давайте рассмотрим «реальный» пример (немного безумного) протокола с нулевым разглашением.

Представьте, что я - телекоммуникационный магнат, развертывающий новую сотовую сеть. Структура моей сети показана на приведенном ниже рисунке. Каждая вершина в этом графе представляет радиовышку, а ребра графа указывают места, где соты перекрываются , то есть где прием сигналов может быть затруднен. К счастью, для предотвращения помех я могу назначить каждой вышке один из трех разных частотных диапазонов.

Таким образом, проблема развертывания сети заключается в том, как назначить частотные диапазоны вышкам так, чтобы никакие две перекрывающиеся соты не использовали одну частоту. Представив частотные диапазоны разными цветами, мы можем быстро предложить одно из решений проблемы:

Конечно, многие из вас уже поняли, что это просто один из экземпляров знаменитой теоретической проблемы раскраски графа тремя цветами . Эта проблема интересна тем, что для некоторых графов сложно найти решение или даже узнать, существует ли оно. На самом деле, раскраска тремя цветами - точнее говоря, выяснение того, возможно ли раскрасить конкретный граф тремя цветами - относится к классу сложности NP .

Очевидно, что наш игрушечный пример легко решить вручную, но что если это не так? Представьте, например, что моя сотовая сеть очень велика и сложна - настолько, что вычислительных ресурсов, имеющихся в моем распоряжении, недостаточно для нахождения решения. В этом случае было бы желательно отдать проблему на аутсорсинг кому-нибудь другому, у кого вычислительных ресурсов больше. Например, я могу попросить своих друзей из Google, чтобы они решили ее для меня по спецификации.

Но это приводит к проблеме.

Предположим, что Google выделит значительную долю своей вычислительной инфраструктуры на поиск способа раскраски моего графа. Разумеется, я не собираюсь платить им, пока не узнаю, что они на самом деле нашли такой способ, но в то же время Google не собирается предоставлять мне копию решения, пока я им не заплачу. Мы оказались в тупике.

Вероятно, в реальной жизни есть житейский выход из этого тупика, включающий привлечение юристов и использование эскроу-счетов, но это блог не о реальной жизни, а о криптографии. Если вы когда-либо читали какие-либо криптоисследования, то понимаете, что правильный способ решить эту проблему - это выдумать абсолютно сумасшедшее техническое решение .

Сумасшедшее техническое решение (с шляпами!)

Заметьте, что я никогда не буду абсолютно уверен в честности Google - всегда будет хотя бы крошечная вероятность того, что Google меня обманывает. Однако после большого количества итераций (а именно E ^2 ) моя уверенность вырастет до точки, в которой вероятность обмана Google пренебрежимо мала - достаточно мала, чтобы во всех практических задачах ей можно было пренебречь. В таком случае я могу безопасно отдать Google мои деньги.

Нам необходимо знать, что Google также в безопасности. Даже если я пытаюсь узнать что-то о решении Google, сохраняя заметки между запусками протокола, это не должно иметь значения. Я в тупике из-за того, что Google рандомизирует выбор цветов в разных итерациях протокола. Ограниченная информация, которую я получаю, бесполезна, и у меня нет никакого способа связать данные разных итераций.

Что делает это «нулевым разглашением»?

Ранее я заявил, что этот протокол не допускает утечки информации о решении Google, но не позволяйте мне отделаться так легко! Первое правило современной криптографии - никогда не доверять людям , которые делают такие утверждения без доказательства.

Гольдвассер, Микали и Рекофф предложили три свойства, которым должен удовлетворять любой протокол с нулевым разглашением. Неформально их можно выразить так:

1. Полнота (completeness ). Если Google говорит правду, то в итоге сможет убедить меня (по крайней мере, с высокой вероятностью).
2. Корректность (soundness ). Google может убедить меня в правильности решения только в том случае, если на самом деле говорит правду.
3. Нулевое разглашение (zero — knowledgeness ) . Я больше ничего не узнаю о решении Google.

Аргумент в пользу полноты мы уже обсудили. Протокол таков, что после достаточного количества повторений Google в итоге убедит меня (с пренебрежимо малой вероятностью ошибки). Продемонстрировать корректность этого протокола тоже довольно легко. Если Google когда-либо попытается обмануть меня, я почти наверняка обнаружу предательство.

Затруднения здесь вызывает третье свойство, но чтобы понять это, нам нужно провести очень странный мысленный эксперимент.

Мысленный эксперимент (с машинами времени)

Давайте начнем с сумасшедшей гипотезы. Представьте, что инженеры Google не настолько искусны, насколько кажется. Они работают над моей проблемой неделями и месяцами, но никак не могут найти решение . Когда до проверки остается 12 часов, гуглеры приходят в отчаяние. Они решают обмануть меня, чтобы я думал, что у них есть раскраска графа, хотя на самом деле ее у них нет.

Их идея состоит в том, чтобы проникнуть на семинар GoogleX и позаимствовать у Google прототип машины времени . Первоначально они планируют отправиться во времени назад на несколько лет, чтобы использовать для решения проблемы дополнительное рабочее время. К сожалению, как и большинство прототипов Google, машина времени имеет некоторые ограничения: она позволяет перемещаться во времени назад только на четыре с половиной минуты.

Таким образом, вариант с использованием машины времени для получения дополнительного рабочего времени отпадает. Тем не менее, оказывается, что даже эта очень ограниченная технология все же может быть использована с тем, чтобы обмануть меня.

Понятия не имею, что здесь происходит, но мне показалось, что картинка вполне подходит.

План чертовски прост. Поскольку Google на самом деле не знает действительной раскраски графа, Google просто раскрашивает бумагу случайными цветами, а затем поднимает шляпы. Если по чистой случайности нам попадется пара разноцветных вершин, каждый облегченно вздохнет и мы продолжим выполнять протокол. Пока все хорошо.

Однако я неизбежно рано или поздно подниму пару шляп, обнаружу две вершины одного цвета и поймаю Google на обмане. И именно здесь появляется машина времени. Когда Google находит себя в этой странной ситуации, то просто устраняет ее. Иначе говоря, специальный «гуглер» поворачивает тумблер, «перематывает» время примерно на четыре минуты и команда Google полностью перекрашивает граф новым случайным решением. После этого они снова запускают время, позволяя мне сделать новую попытку.

По сути, машина времени позволяет Google «восстанавливаться» от любых неприятностей, которые происходят во время выполнения их фальшивого протокола, из-за чего мне все кажется нормальным. Поскольку удачная попытка оспорить протокол происходит лишь примерно в 1/3 попыток, ожидаемое время выполнения протокола (с точки зрения Google) лишь умеренно больше, чем время выполнения честного протокола. Что касается меня, то я даже не подозреваю, что происходят путешествия во времени.

Последний момент наиболее важен. На самом деле с моей точки зрения незнание того, что задействована машина времени, приводит к точно такому же взаимодействию, что и реальность. Статистически они идентичны. И все же, снова стоит отметить, что в версии с машиной времени у Google совершенно нет информации о том, как раскрасить граф.

К чему это все?

То, что мы только что рассмотрели - это пример симуляции . Заметьте, что в мире, где время движется только вперед и никто не может обмануть меня с помощью машины времени, протокол со шляпами корректен , то есть после E ^2 раундов я должен быть убежден (за вычетом пренебрежимо малой вероятности), что граф на самом деле можно раскрасить и что Google располагает действительным решением.

Мы только что показали, что если время течет не только вперед - точнее говоря, если Google может «перематывать» мое представление о времени - то Google может подделать действительный запуск протокола даже без информации о фактической раскраск e графа.

Какова с моей точки зрения разница между двумя вариантами протокола? Если рассматривать их статистическое распределение, разницы нет никакой - оба сообщают примерно одинаковый объем полезной информации.

Хотите - верьте, хотите - нет, но это доказывает кое-что очень важное.

Предположим, что у меня (Проверяющего) есть некая стратегия, которая «извлекает» полезную информацию о раскраске Google после наблюдения за выполнением честного протокола. Тогда моя стратегия должна одинаково хорошо работать и в тех случаях, когда меня обманывают с помощью машины времени. С моей точки зрения запуски протокола статистически идентичны - я физически не могу определить разницу.

Таким образом, если объем информации, который я могу извлечь, в «реальном эксперименте» и «эксперименте с машиной времени» идентичен, но объем информации, которую предоставляет Google в эксперименте с «машиной времени», в точности нулевой, это предполагает, что даже в реальном мире протокол должен не выдавать никакой полезной информации. Остается только показать, что у информатиков есть машины времени. Да, у нас они есть! (Это тщательно скрываемый секрет.)

Избавляемся от шляп (и машин времени)

Конечно, на самом деле мы не хотим выполнять протокол с шляпами и даже у Google нет настоящей машины времени (наверное).

Чтобы связать все вместе, нам сначала нужно перенести наш протокол в цифровой мир. Это требует, чтобы мы сконструировали цифровой эквивалент «шляпы» - что-то, что одновременно скрывает цифровое значение и при этом «привязывает» создателя к нему («обязывает»), чтобы он не мог передумать постфактум.

К счастью, у нас есть идеальный инструмент для этого, который называется цифровой схемой обязательства . Схема обязательства позволяет одной стороне «выразить обязательство» для конкретного сообщения, сохранив его при этом в «секретном конверте», а затем позднее «раскрыть» конверт с обязательством, чтобы показать, что внутри. Обязательства можно создавать из раличных ингредиентов, включая (надежные) криптографические хеш-функции.***

Со схемой обязательства у нас есть все, что нужно для электронного выполнения протокола с нулевым разглашением. Доказывающий сначала кодирует расцветку вершин как набор цифровых сообщений (например, с помощью чисел 0, 1, 2), а затем генерирует для каждого из них цифровые обязательства. Эти обязательства пересылаются Проверяющему. Когда Проверяющий оспаривает решение для какого-то ребра, Доказывающий просто обнародует значения для обязательств, соответствующих двум вершинам.

Так мы устранили шляпы, но как доказать, что это протокол с нулевым разглашением?

К счастью, теперь мы в цифровом мире, и нам не нужна реальная машина времени для доказательства утверждений об этом протоколе. Главная хитрость в том, чтобы указать, что протокол будет работать не между людьми , а между двумя разными компьютерными программами (или, выражаясь более формальным языком, вероятностными машинами Тьюринга).

Теперь мы можем доказать следующую теорему. Если бы удалось создать компьютерную программу (для Проверяющего), извлекающую полезную информацию после участия в запуске протокола, можно было бы использовать с этой программой «машину времени», чтобы программа извлекла тот же объем полезной информации из «поддельного» запуска протокола, когда Доказывающий не предоставляет никакой информации.

И, поскольку мы теперь говорим о компьютерных программах , очевидно, что перемотка времени вовсе не является экстраординарной возможностью. На самом деле, мы перематываем компьютерные программы все время. Возьмем для примера ПО для виртуальных машин с функцией создания снимков.

Пример перемотки снимков виртуальных машин. Первоначальная виртуальная машина воспроизводится вперед, возвращается к первоначальному снимку, а затем выполняется другая ветвь.

Даже если у вас нет хитрого ПО для виртуальных машин, любую компьютерную программу можно «перемотать» к более раннему состоянию, просто снова запустив ее с начала и передав ей в точности тот же ввод. Если ввод - включая все случайные числа - фиксирован, программа всегда будет следовать по одному и тому же пути выполнения. Вы можете перемотать программу, просто запустив ее с начала и «форкнув» ее выполнение по достижении некоторой желаемой точки.

В конечном итоге мы получаем следующую теорему. Если существует какая-либо компьютерная программа Проверяющего, которая успешно извлекает информацию, интерактивно выполняя этот протокол с некоторым Доказывающим, мы можем просто использовать хитрость с перемоткой, чтобы выразить обязательство для случайного решения, а затем «обмануть» Проверяющего, перематывая программу, пока не пройдем испытание. Имеет место та же логика, что и выше: если бы такой Проверяющий преуспел в извлечении информации после выполнения реального протокола, то он мог бы извлечь тот же объем информации из симулированного протокола с перемоткой. Но поскольку симулированному протоколу не передается никакая информация, то и извлечь нечего. Следовательно, объем информации, которую Проверяющий может извлечь, равен нулю.

Хорошо, и что же все это означает?

Итак, по приведенному выше анализу мы знаем, что протокол полон и корректен. Аргумент в пользу корректности выстаивает всегда, когда мы знаем, что никто не манипулирует временем - т. е. что программа Проверяющего выполняется нормально и никто не перематывает его выполнение.

В то же время протокол обеспечивает и нулевое разглашение. Чтобы доказать это, мы показали, что любая программа Проверяющего, успешно извлекающая информацию, должна также быть способна извлечь информацию из запуска протокола с перемоткой, когда никакая информация изначально недоступна. Это приводит к очевидному противоречию и говорит нам, что утечка информации при выполнении такого протокола невозможна в обеих ситуациях.

У всего этого есть важное преимущество. Поскольку любой легко может «подделать» запись протокола даже после того как система Google докажет мне, что у нее есть решение, я не могу заново воспроизвести запись протокола, чтобы доказать что-либо кому-либо другому (скажем, судье). Это объясняется тем, что у судьи не было бы никакой гарантии, что видео было записано честно и что я не отредактировал его так же, как могла сделать система Google с помощью машины времени. Это означает, что сама запись протокола не содержит информации. Протокол имеет смысл только в том случае, если я сам участвовал в нем и уверен, что это происходило в реальном времени.

Доказательства для всех NP!

Если вы дочитали до этого места, я уверен, что вы готовы к большим новостям. А именно, вы готовы узнать, что трехцветные сотовые сети не такая уж интересная проблема - по крайней мере, сама по себе.

Проблема 3-х цветов интересна в первую очередь тем, что она относится к классу NP-полных . Выражаясь неформально, в этих проблемах удивительно то, что любую другую проблему из класса NP можно преобразовать в экземпляр этой проблемы.

Этот результат одним махом - благодаря Голдрайху , Микали и Видждерсону - доказывает, что «эффективные» доказательства с нулевым разглашением существуют для широкого класса полезных утверждений, многие из которых гораздо более интересны, чем назначение частот сотовым сетям. Вы просто находите утверждение (в классе NP), которое хотите доказать, такое как наш приведенный выше пример хеш-функции, а затем преобразуете его в экземпляр проблемы 3-х цветов. После этого вы просто запускаете цифровую версию протокола с шляпами.

Подведем итоги

Конечно, на самом деле запускать этот протокол для интересных утверждений было бы очень странно и глупо, потому что это требовало бы выполнения огромного объема работы. Теоретически это «эффективно», потому что общие затраты на доказательства росли бы полиномиально в зависимости от размера входных данных, но на практике они были бы совершенно другими.

Таким образом, мы пока показали лишь, что такие доказательства возможны . Сам же поиск доказательств, достаточно практичных для использования в реальном мире, остается на нашу долю.

В других сообщениях я расскажу о некоторых из них - а именно эффективных доказательствах разных полезных утверждений. Я приведу некоторые примеры (из реальных приложений), где такие приемы были использованы. Также по запросу одного из читателей я расскажу, почему мне так не нравится протокол SRP (Secure Remote Password).

Примечания

* Формально цель интерактивного доказательства - убедить Проверяющего, что конкретная строка принадлежит некоторому языку. Обычно Доказывающий очень (неограниченно) могуществен, а Проверяющий ограничен в вычислительных ресурсах.

** Этот пример основан на оригинальном решении Гольдвассер, Микали и Рекоффа, а обучающий пример со шляпами - на объяснении, которое дал Сильвио Микали. Я отвечаю только за ошибки, если таковые найдутся.

*** Простой пример обязательства можно построить с использованием хеш-функции. Чтобы создать обязательство для значения «x», просто сгенерируйте некоторую (достаточно длинную) строку случайных чисел, которую мы будем называть «солью» (salt), и выведите обязательство C = Hash (salt || x ) . Чтобы обнародовать обязательство, вы просто демонстрируете «x» и соль. Любой может убедиться, что оригинальное обязательство действительно, пересчитав хеш. Это безопасно, если выполнены некоторые (умеренно строгие) требования к самой функции.

Мэтью Грин (Matthew Green)