Kryptographie II Asymmetrische Kryptographie

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1 Kryptographie II Asymmetrische Kryptographie Alexander May Fakultät für Mathematik Ruhr-Universität Bochum Sommersemester 2011 Krypto II - Vorlesung Schlüsselverteil-Center, Diffie-Hellman Schlüsselaustausch 1 / 170

2 Organisatorisches Vorlesung: Mi 08:30 10:00 in NA 3/99 (2+2 SWS, 6 CP) Übung: Mi 10:15 11:45 in NA 5/99 Assistent: Alexander Meurer, Korrektor: Felix Heuer Vielen Dank an Florian Giesen für das Erstellen der Graphiken. Übungsbetrieb: jeweils abwechselnd alle 2 Wochen Präsenzübung, Start 13. April Zentralübung, Start 20. April Übungsaufgaben werden korrigiert. Gruppenabgaben bis 3 Personen Bonussystem: 1/3-Notenstufe für 50%, 2/3-Notenstufe für 75% Gilt nur, wenn man die Klausur besteht! Klausur: 16. August 2011 Krypto II - Vorlesung Schlüsselverteil-Center, Diffie-Hellman Schlüsselaustausch 2 / 170

3 Literatur Vorlesung richtet sich nach Jonathan Katz, Yehuda Lindell, Introduction to Modern Cryptography, Taylor & Francis, 2008 Weitere Literatur S. Goldwasser, M. Bellare, Lecture Notes on Cryptography, MIT, online, O. Goldreich, Foundations of Cryptography Volume 1 (Basic Tools), Cambridge University Press, 2001 O. Goldreich, Foundations of Cryptography Volume 2 (Basic Applications), Cambridge University Press, 2004 A.J. Menezes, P.C. van Oorschot und S.A.Vanstone, Handbook of Applied Cryptography, CRC Press, 1996 Krypto II - Vorlesung Schlüsselverteil-Center, Diffie-Hellman Schlüsselaustausch 3 / 170

4 Erinnerung an Kryptographie I Symmetrische Kryptographie Parteien besitzen gemeinsamen geheimen Schlüssel. Erlaubt Verschlüsselung, Authentifikation, Hashen, Auswerten von Pseudozufallspermutationen. Frage: Wie tauschen die Parteien einen Schlüssel aus? Nachteile 1 U Teilernehmer benötigen ( U 2) = Θ(U 2 ) viele Schlüssel. 2 Jeder Teilnehmer muss U 1 Schlüssel sicher speichern. Update erforderlich, falls Teilnehmer hinzukommen oder gelöscht werden. 3 Schlüsselaustausch funktioniert nicht in offenen Netzen. Krypto II - Vorlesung Schlüsselverteil-Center, Diffie-Hellman Schlüsselaustausch 4 / 170

5 Schlüsselverteilungs-Center (KDC) Partielle Lösung: Verwenden vertrauenswürdige Instanz IT-Manager eröffnet Key Distribution Center (KDC). Teilnehmer besitzen gemeinsamen, geheimen Schlüssel mit KDC. Alice schickt Nachricht Kommunikation mit Bob an KDC. Alice authentisiert Nachricht mit ihrem geheimen Schlüssel. KDC wählt einen Session-Key k, d.h. einen neuen Schlüssel. KDC schickt Verschlüsselung Enc ka (k) an Alice. KDC schickt Verschlüsselung Enc kb (k) an Bob. Alternativ im Needham Schröder Protokoll: KDC schickt Enc kb (k) an Alice und diese leitet an Bob weiter. Krypto II - Vorlesung Schlüsselverteil-Center, Diffie-Hellman Schlüsselaustausch 5 / 170

6 Vor- und Nachteile von KDCs Vorteile Jeder Teilnehmer muss nur einen Schlüssel speichern. Hinzufügen/Entfernen eines Teilnehmers erfordert Update eines Schlüssels. Nachteile Kompromittierung von KDC gefährdet das gesamte System. Falls KDC ausfällt, ist sichere Kommunikation nicht möglich. Praktischer Einsatz von KDCs Kerberos (ab Windows 2000) Krypto II - Vorlesung Schlüsselverteil-Center, Diffie-Hellman Schlüsselaustausch 6 / 170

7 Diffie Hellman Gedankenexperiment Szenario Alice will eine Kiste zu Bob schicken. Post ist nicht zu trauen, d.h. die Kiste muss verschlossen werden. Sowohl Alice als auch Bob besitzen ein Schloss. Algorithmus 3-Runden Diffie-Hellman Austausch 1 Alice sendet die Kiste an Bob, verschlossen mit ihrem Schlüssel. 2 Bob sendet die Kiste zurück, verschlossen mit seinem Schlüssel. 3 Alice entfernt ihr Schloss und sendet die Kiste an Bob. 4 Bob entfernt sein Schloss und öffnet die Kiste. Beobachtung: Viele Funktionen sind inherent asymmetrisch. Zudrücken eines Schlosses ist leicht, Öffnen ist schwer. Multiplizieren von Zahlen ist leicht, Faktorisieren ist schwer. Exponentieren von Zahlen ist leicht, dlog ist (oft) schwer. Krypto II - Vorlesung Schlüsselverteil-Center, Diffie-Hellman Schlüsselaustausch 7 / 170

8 Diffie Hellman Gedankenexperiment Alice Bob A A B A B B Krypto II - Vorlesung Schlüsselverteil-Center, Diffie-Hellman Schlüsselaustausch 8 / 170

9 Diffie-Hellman Schlüsselaustausch (1976) Szenario: Alice und Bob verwenden öffentlichen Kanal. Ziel: Beide wollen einen zufälligen Bitstring k austauschen. Angreifer ist passiv, d.h. kann nur lauschen, nicht manipulieren. Systemparameter: Sicherheitsparameter 1 n Schlüsselerzeugung(G, q, g) G(1 n ) G ist probabilistischer polynomial-zeit (in n) Algorithmus G ist multiplikative Gruppe mit Ordnung q und Generator g. Krypto II - Vorlesung Schlüsselverteil-Center, Diffie-Hellman Schlüsselaustausch 9 / 170

10 2-Runden Diffie-Hellman Schlüsselaustausch Protokoll 2-Runden Diffie-Hellman Schlüsselaustausch 1 Alice: Wähle x R Z q. Sende h 1 = g x an Bob. 2 Bob: Wähle y R Z q. Sende h 2 = g y an Alice. 3 Alice: Berechne k A = h2 x. 4 Bob: Berechne k B = h y 1. Alice x R Z q h 1 := g x h 1 k A := h x 2 h 2 Bob y R Z q h 2 := g y k B := h y 1 Krypto II - Vorlesung Schlüsselverteil-Center, Diffie-Hellman Schlüsselaustausch 10 / 170

11 Korrektheit und Schlüsselerzeugung Korrektheit: k A = k B Alice berechnet Schlüssel k A = h x 2 = (gy ) x = g xy. Bob berechnet Schlüssel k B = h y 1 = (gx ) y = g xy. Schlüsselerzeugung: Gemeinsamer Schlüssel k A = k B G ist ein Gruppenelement, kein Zufallsstring k {0, 1} m. Konstruktion von Zufallsstring mittels sog. Zufallsextraktoren. Sei k A ein zufälliges Gruppenelement aus G. Zufallsextraktor liefert bei Eingabe k A einen Schlüssel k {0, 1} m, ununterscheidbar von einem Zufallsstring derselben Länge. Übung: Schlüssel k + sichere symmetrische Verschlüsselung liefert zusammen ein beweisbar sicheres Verfahren. Krypto II - Vorlesung Schlüsselverteil-Center, Diffie-Hellman Schlüsselaustausch 11 / 170

12 Spiel zur Unterscheidung des Schlüssels Spiel Schlüsselaustausch KE A,Π (n) Sei Π ein Schlüsselaustausch Protokoll für Gruppenelemente aus G. Sei A ein Angreifer für Π. 1 (k 0, trans) Π(n), wobei k 0 der gemeinsame Schlüssel und trans der Protokollablauf ist. 2 Wähle k 1 R {0, 1} n und b R {0, 1}. { 3 b 1 falls b = b A(trans, k b ). Ausgabe. 0 sonst A gewinnt, falls KE A,Π (n) = 1. D.h. A gewinnt, falls er erkennt, welches der korrekte Schlüssel k des Protokolls Π und welches der zufällige Schlüssel k R G ist. A kann trivialerweise mit Ws 1 2 gewinnen. (Wie?) Krypto II - Vorlesung Schlüsselverteil-Center, Diffie-Hellman Schlüsselaustausch 12 / 170

13 Spiel zur Unterscheidung des Schlüssels KE A,Π (n) (trans,k 0 ) Π(n) b R {0,1} k 1 R {0,1} n Ausgabe: { 1 falls b = b = 0 sonst (trans,k b ) b A b {0,1} Krypto II - Vorlesung Schlüsselverteil-Center, Diffie-Hellman Schlüsselaustausch 13 / 170

14 Sicherheit Schlüsselaustausch Definition negl(n) Erinnerung aus Krypto I Eine Funktion f : N R + heißt vernachlässigbar, falls für jedes Polynom p(n) und alle hinreichend großen n gilt f(n) < 1 p(n). Notation: Wir bezeichnen eine bel. vernachlässigbare Fkt mit negl(n). Bsp: 1 2 n, 1 2, 1 n nlog log n sind vernachlässigbar. 1 2 O(log n) ist nicht vernachlässigbar. Es gilt q(n) negl(n) = negl(n) für jedes Polynom q(n). Definition Sicherheit Schlüsselaustausch Ein Schlüsselaustausch Protokoll Π ist sicher gegen passive Angriffe, falls für alle probabilistischen Polynomialzeit (ppt) Angreifer A gilt Ws[KE A,Π (n) = 1] negl(n). Der Wsraum ist definiert über die zufälligen Münzwürfe von A und Π. Krypto II - Vorlesung Schlüsselverteil-Center, Diffie-Hellman Schlüsselaustausch 14 / 170

15 dlog Problem Definition Diskrete Logarithmus (dlog) Annahme Das Diskrete Logarithmus Problem ist hart bezüglich G, falls für alle ppt Algorithmen A gilt Ws[A(g, q, g x ) = x] negl. Der Wsraum ist definiert bezüglich der zufälligen Wahl von x Z q und der internen Münzwürfe von A und G. dlog Annahme: Das dlog Problem ist hart bezüglich G. Unter der dlog Annahme können die geheimen Schlüssel x, y bei Diffie-Hellman nur mit vernachlässigbarer Ws berechnet werden. D.h. die dlog Annahme ist eine notwendige Sicherheitsannahme. Problem: Die Berechnung von g xy aus g x, g y könnte einfach sein. Krypto II - Vorlesung Schlüsselverteil-Center, Diffie-Hellman Schlüsselaustausch 15 / 170

16 CDH Problem Definition Computational Diffie-Hellman (CDH) Annahme Das Computational Diffie-Hellman Problem ist hart bezüglich G, falls für alle ppt Algorithmen A gilt Ws[A(g, q, g x, g y ) = g xy ] negl. Wsraum: zufällige Wahl von x, y R Z q, interne Münzwürfe von A, G. CDH Annahme: Das CDH Problem ist hart bezüglich G. Unter der CDH-Annahme kann ein DH-Angreifer Eve den Schlüssel k A = g xy nur mit vernachlässigbarer Ws berechnen. Problem: Sei CDH schwer, so dass Angreifer Eve k A nicht berechnen kann. Benötigen aber, dass k A ein zufälliges Gruppenelement in G ist. Unterscheiden von g xy und g z, z R Z q könnte einfach sein. Krypto II - Vorlesung Schlüsselverteil-Center, Diffie-Hellman Schlüsselaustausch 16 / 170

17 DDH Problem Definition Decisional Diffie-Hellman (DDH) Annahme Das Decisional Diffie-Hellman Problem ist hart bezüglich G, falls für alle ppt Algorithmen A gilt Ws[A(g, q, g x, g y, g xy ) = 1] Ws[A(g, q, g x, g y, g z ) = 1] negl. Wsraum: zufällige Wahl von x, y, z R Z q, interne Münzwürfe von A, G. DDH Annahme: Das DDH Problem ist hart bezüglich G. Unter der DDH-Annahme kann Eve den DH-Schlüssel g xy nicht von einem zufälligen Gruppenelement unterscheiden. Krypto II - Vorlesung Sicherheit von Diffie-Hellman, Verschlüsselung, CPA Sicherheit 17 / 170

18 Sicherheitsbeweis des DH-Protokolls Satz Sicherheit des Diffie-Hellman Protokolls Unter der DDH-Annahme ist das DH-Protokoll Π sicher gegen passive Angreifer A. Beweis: Es gilt Ws[KE A,Π (n) = 1] = 1 2 Ws[KE A,Π(n) = 1 b = 0]+ 1 2 Ws[KE A,Π(n) = 1 b = 1] = 1 2 Ws[A(G, g, q, gx, g y, g xy ) = 0]+ 1 2 Ws[A(G, g, q, gx, g y, g z ) = 1] = 1 2 (1 Ws[A(G, g, q, gx, g y, g xy ) = 1])+ 1 2 Ws[A(G, g, q, gx, g y, g z ) = 1] = (Ws[A(G, g, q, gx, g y, g z ) = 1] Ws[A(G, g, q, g x, g y, g xy ) = 1]) Ws[A(G, g, q, gx, g y, g xy ) = 1] Ws[A(G, g, q, g x, g y, g z ) = 1] negl(n) = 1 + negl(n) nach DDH-Annahme. 2 Krypto II - Vorlesung Sicherheit von Diffie-Hellman, Verschlüsselung, CPA Sicherheit 18 / 170

19 Public-Key Verschlüsselung Szenario: Asymmetrische/Public Key Verschlüsselung Schlüsselpaar (pk, sk) aus öffentlichem/geheimem Schlüssel. Verschlüsselung Enc pk ist Funktion des öffentlichen Schlüssels. Entschlüsselung Dec sk ist Funktion des geheimen Schlüssels. pk kann veröffentlicht werden, z.b. auf Webseite, Visitenkarte. pk kann über öffentlichen (authentisierten) Kanal verschickt werden. Vorteile: Löst Schlüsselverteilungsproblem. Erfordert die sichere Speicherung eines einzigen Schlüssels. Nachteil: Heutzutage deutlich langsamer als sym. Verschlüsselung. Krypto II - Vorlesung Sicherheit von Diffie-Hellman, Verschlüsselung, CPA Sicherheit 19 / 170

20 Public-Key Verschlüsselung Definition Public-Key Verschlüsselung Ein Public-Key Verschlüsselungsverfahren ist ein 3-Tupel Π = (Gen, Enc, Dec) von ppt Algorithmen mit 1 Gen: (pk, sk) Gen(1 n ), wobei pk der öffentliche und sk der geheime Schlüssel ist. Beide Schlüssel besitzen Länge mind. n. 2 Enc: Für eine Nachricht m M und Schlüssel pk berechne c Enc pk (m). 3 Dec: Für einen Chiffretext c C und Schlüssel sk berechne m := Dec sk (c). Es gilt Ws[Dec sk (Enc pk (m)) = m] = 1 negl(n). Krypto II - Vorlesung Sicherheit von Diffie-Hellman, Verschlüsselung, CPA Sicherheit 20 / 170

21 Ununterscheidbarkeit von Chiffretexten Spiel CPA Ununterscheidbarkeit von Chiffretexten PubK cpa A,Π (n) Sei Π ein PK-Verschlüsselungsverfahren und A ein Angreifer. 1 (pk, sk) Gen(1 n ) 2 (m 0, m 1 ) A(pk) 3 Wähle b R {0, 1}. b A(Enc pk (m b )). { 4 PubK cpa A,Π (n) = 1 für b = b 0 sonst Man beachte, dass A Orakelzugriff auf Enc pk besitzt. D.h. A kann sich beliebig gewählte Klartexte verschlüsseln lassen. (chosen plaintext attack = CPA) Krypto II - Vorlesung Sicherheit von Diffie-Hellman, Verschlüsselung, CPA Sicherheit 21 / 170

22 CPA-Spiel PubK cpa A,Π (n) (pk,sk) Gen(1 n ) b R {0,1} c = Enc pk (m b ) Ausgabe: { 1 falls b = b = 0 sonst (1 n,pk) (m 0,m 1 ) c b A m 0,m 1 M b {0,1} Krypto II - Vorlesung Sicherheit von Diffie-Hellman, Verschlüsselung, CPA Sicherheit 22 / 170

23 CPA Sicherheit Definition CPA Sicherheit von Verschlüsselung Ein PK-Verschlüsselungsverfahren Π = (Gen, Enc, Dec) heißt CPA-sicher, d.h. Π besitzt ununterscheidbare Verschlüsselungen unter CPA, falls für alle ppt A gilt Ws[PubK cpa A,Π (n) = 1] negl(n). Übung: Unbeschränkte A können das Spiel PubK cpa A,Π (n) mit Ws 1 negl(n) gewinnen. Krypto II - Vorlesung Sicherheit von Diffie-Hellman, Verschlüsselung, CPA Sicherheit 23 / 170

24 Unsicherheit deterministischer Verschlüsselung Satz Deterministische Verschlüsselung Deterministische PK-Verschlüsselung ist unsicher gegenüber CPA. Beweis: A kann sich Enc pk (m 0 ) und Enc pk (m 1 ) selbst berechnen. D.h. ein Angreifer A gewinnt PubK cpa A,Π (n) mit Ws 1. Krypto II - Vorlesung Sicherheit von Diffie-Hellman, Verschlüsselung, CPA Sicherheit 24 / 170

25 Mehrfache Verschlüsselung Spiel Mehrfache Verschlüsselung PubK mult A,Π (n) Sei Π ein PK-Verschlüsselungsverfahren und A ein Angreifer. 1 (pk, sk) Gen(1 n ) 2 (M 0, M 1 ) A(pk), wobei M i = (mi 1,..., mt i ), i = 0, 1 und m j 0 = mj 1 für j [t]. 3 Wähle b R {0, 1}. b A(Enc pk (mb 1),..., Enc pk(mb t { )). 1 für b = b 4 PubK mult A,Π (n) = 0 sonst Definition CPA Sicherheit von mehrfacher Verschlüsselung Ein PK-Verschlüsselungsverfahren Π = (Gen, Enc, Dec) heißt mult-cpa sicher, d.h. besitzt ununterscheidbare mehrfache Verschlüsselungen unter CPA, falls für alle ppt A gilt Ws[PubK mult A,Π (n) = 1] negl(n). Krypto II - Vorlesung Sicherheit von Diffie-Hellman, Verschlüsselung, CPA Sicherheit 25 / 170.

26 multcpa-spiel PubK mult cpa A,Π (n) (pk,sk) Gen(1 n ) b R {0,1} ) c j = Enc pk (m j b C = (c 1,,c t ) Ausgabe: { 1 falls b = b = 0 sonst (1 n,pk) (M 0,M 1 ) C b A M i = (m 1 i,,mt i ), i = 0,1 = j, m j i M m j 0 m j 1 b {0,1} Krypto II - Vorlesung Sicherheit von Diffie-Hellman, Verschlüsselung, CPA Sicherheit 26 / 170

27 Sicherheit mehrfacher Verschlüsselung Satz Sicherheit mehrfacher Verschlüsselung (analog zu Krypto I) Sei Π ein PK-Verschlüsselungsschema. Π ist mult-cpa sicher gdw Π CPA sicher ist. Beweis : Für t = 2. Ein Angreifer A gewinnt das Spiel PubKA,Π mult (n) mit Ws 1 2 Ws[A(Enc pk(m 1 0), Enc pk (m 2 0)) = 0]+ 1 2 Ws[A(Enc pk(m 1 1), Enc pk (m 2 1)) = 1]. Daraus folgt Ws[PubK mult A,Π (n)]+ 1 2 = 1 2 Ws[A(Enc pk(m0), 1 Enc pk (m0)) 2 = 0]+ 1 2 Ws[A(Enc pk(m1), 1 Enc pk (m1)) 2 = 1] + 1 ( ) Ws[A(Enc pk (m0), 1 Enc pk (m1)) 2 = 0]+Ws[A(Enc pk (m0), 1 Enc pk (m1)) 2 = 1] 2 Ziel: Zeigen, dass Ws[PubK mult A,Π (n)] negl(n). Krypto II - Vorlesung Sicherheit von Diffie-Hellman, Verschlüsselung, CPA Sicherheit 27 / 170

28 Betrachten der Hybride Lemma 1 2 Ws[A(Enc pk(m 1 0 ), Enc pk(m 2 0 )) = 0]+ 1 2 Ws[A(Enc pk(m 1 0 ), Enc pk(m 2 1 )) = 1] negl(n). Beweis: Sei A Angreifer für einfache Verschlüsselungen. A versucht mittels A das Spiel PubK cpa A,Π(n) zu gewinnnen. Strategie von Angreifer A 1 A gibt pk an A weiter. 2 (M 0, M 1 ) A(pk) mit M 0 = (m 1 0, m2 0 ) und M 1 = (m 1 1, m2 1 ). 3 A gibt (m 2 0, m2 1 ) aus. A erhält Chiffretext c(b) = Enc pk (m 2 b ). 4 b A(Enc pk (m0 1 ), c(b)). 5 A gibt Bit b aus. Ws[A (Enc pk (m0 2)) = 0] = Ws[A((Enc pk(m0 1), Enc pk(m0 2 )) = 0] und Ws[A (Enc pk (m1 2)) = 1] = Ws[A((Enc pk(m0 1), Enc pk(m1 2 )) = 1]. Krypto II - Vorlesung Sicherheit von Diffie-Hellman, Verschlüsselung, CPA Sicherheit 28 / 170

29 Strategie des Angreifers bei Hybriden PubK cpa A,Π (n) (pk,sk) Gen(1 n ) b R {0,1} c = Enc pk ( m 2 b ) Ausgabe: { 1 falls b = b = 0 sonst (1 n,pk) (m 2 0,m 2 1) c b A c := Enc pk ( m 1 0 ) (1 n,pk) (M 0,M 1 ) (c,c) b A M 0 = (m 1 0,m2 0 ) M 1 = (m 1 1,m2 1 ) m j i M, i,j b {0,1} Krypto II - Vorlesung Sicherheit von Diffie-Hellman, Verschlüsselung, CPA Sicherheit 29 / 170

30 Fortsetzung Hybridtechnik Beweis(Fortsetzung): CPA Sicherheit von Π bei einzelnen Nachrichten impliziert 1 cpa + negl(n) Ws[PubK 2 A,Π(n) = 1] = 1 2 Ws[A (Enc pk (m 2 0 )) = 0]+ 1 2 Ws[A (Enc pk (m 2 1 )) = 1 = 1 2 Ws[A((Enc pk(m0 1 ), Enc pk(m0 2 )) = 0]+ 1 2 Ws[A((Enc pk(m 1 0 ), Enc pk(m 2 1 )) = 1] Lemma Analog kann gezeigt werden, dass negl(n) 1 2 Ws[A((Enc pk(m0 1 ), Enc pk(m1 2 )) = 0]+ 1 2 Ws[A((Enc pk(m1 1 ), Enc pk(m1 2 )) = 1] Daraus folgt Ws[PubK mult A,Π (n)] negl(n). Satz für t = 2 Krypto II - Vorlesung Sicherheit von Diffie-Hellman, Verschlüsselung, CPA Sicherheit 30 / 170

31 Von fester zu beliebiger Nachrichtenlänge Beweistechnik für allgemeines t: Definiere für i [t] Hybride C (i) = (Enc pk (m0 1),..., Enc pk(m0 i ), Enc pk(m i+1 1 ),..., Enc pk (m1 t)). Ws[PubKA,Π mult(n) = 1] = 1 2 Ws[A(C(t) ) = 0]+ 1 2 Ws[A(C(0) = 1]. A unterscheidet Enc pk (m0 i ) und Enc pk(m1 i ) für zufälliges i [t]. Entspricht dem Unterscheiden von C (i) und C (i 1). Liefert Pr[PubK mult A,Π (n)] t negl(n) Satz. Von fester zu beliebiger Nachrichtenlänge Sei Π ein Verschlüsselungsverfahren mit Klartexten aus {0, 1} n. Splitte m {0, 1} auf in m 1,...m t mit m i {0, 1} n. Definiere Π mittels Enc pk (m) = Enc pk(m 1 )... Enc pk (m t ). Aus vorigem Satz folgt: Π ist CPA-sicher, falls Π CPA-sicher ist. Krypto II - Vorlesung Sicherheit von Diffie-Hellman, Verschlüsselung, CPA Sicherheit 31 / 170

32 Hybride Verschlüsselungsverfahren Ziel: Flexibilität von asym. Verfahren und Effizienz von sym. Verfahren. Szenario: Sei Π = (Gen, Enc, Dec) ein PK-Verschlüsselungsverfahren und Π = (Gen, Enc, Dec ) ein SK-Verschlüsselungsverfahren. Berechne (pk, sk) Gen(1 n ). Algorithmus Hybride Verschlüsselung Eingabe: m, pk 1 Wähle k R {0, 1} n. 2 Verschlüssele c 1 Enc pk (k) mit asym. Verschlüsselung. 3 Verschlüssele c 2 Enc k (m) mit sym. Verschlüsselung. Ausgabe: Chiffretext c = (c 1, c 2 ) Krypto II - Vorlesung Sicherheit von Diffie-Hellman, Verschlüsselung, CPA Sicherheit 32 / 170

33 Hybride Entschlüsselung Algorithmus Hybride Entschlüsselung Eingabe: c = (c 1, c 2 ), sk 1 Entschlüssele k Dec sk (c 1 ). 2 Entschlüssele m Dec k (c 2). Ausgabe: Klartext m Effizienzgewinn für m n, sofern Π effizienter ist als Π. Frage: Ist hybride Verschlüsselung sicher, falls Π,Π sicher? Krypto II - Vorlesung Sicherheit von Diffie-Hellman, Verschlüsselung, CPA Sicherheit 33 / 170

34 Sicherheit von hybrider Verschlüsselung Satz Sicherheit hybrider Verschlüsselung Sei Π ein CPA-sicheres PK-Verschlüsselungsverfahren und Π ein KPA-sicheres SK-Verschlüsselungsverfahren. Dann ist das hybride Verfahren Π hy CPA-sicher. Beweisskizze: Notation X Y : Kein ppt Angreifer kann X und Y unterscheiden. Sicherheit von Π : Enc k (m 0 ) Enc k (m 1 ) für k R {0, 1} n. Sicherheit von Π hy : Müssen zeigen dass (Enc pk (k), Enc k (m 0)) (Enc pk (k), Enc k (m 1)). Problem: Erstes Argument könnte beim Unterscheiden des zweiten Arguments helfen. Krypto II - Vorlesung Hybride Verschlüsselung, Textbook RSA 34 / 170

35 Beweis Sicherheit hybrider Verschlüsselung Beweisskizze: Zeigen die folgenden 3 Schritte 1 Sicherheit von Π liefert (Enc pk (k), Enc k (m 0)) (Enc pk (0 n ), Enc k (m 0)). Gilt sogar falls A die Werte k, 0 n kennt. Dass das zweite Argument k beinhaltet ist daher kein Problem. 2 Sicherheit von Π liefert (Enc pk (0 n ), Enc k (m 0)) (Enc pk (0 n ), Enc k (m 1)). Kein Problem mehr, da 2. Argument nicht vom ersten abhängt. 3 Sicherheit von Π liefert (Enc pk (0 n ), Enc k (m 1)) (Enc pk (k), Enc k (m 1)). Transititivität der 3 Ergebnisse liefert schließlich wie gewünscht (Enc pk (k), Enc k (m 0)) (Enc pk (k), Enc k (m 1)). Krypto II - Vorlesung Hybride Verschlüsselung, Textbook RSA 35 / 170

36 Textbook RSA Algorithmus Schlüsselerzeugung GenRSA Eingabe: 1 n 1 (N, p, q) GenModulus(1 n ) mit primen n-bit p, q und N = pq. 2 φ(n) (p 1)(q 1) 3 Wähle e Z φ(n). 4 Berechne d e 1 mod φ(n). Ausgabe:(N, e, d) mit pk = (N, e) und sk = (N, d). Definition Textbook RSA Verschlüsselungsverfahren Sei n ein Sicherheitsparameter. 1 Gen : (N, e, d) GenRSA(1 n ) 2 Enc : c m e mod N für eine Nachricht m Z N. 3 Dec : m c d mod N Krypto II - Vorlesung Hybride Verschlüsselung, Textbook RSA 36 / 170

37 RSA Problem und Sicherheit von RSA Definition RSA Problem Das RSA Problem ist hart bezüglich GenRSA(1 n ), falls für alle ppt Algorithmen A gilt Ws[A(N, e, m e mod N) = m] negl(n). Wsraum: Wahl m R Z N und interne Münzwürfe von A, GenRSA. RSA Annahme: Das RSA Problem ist hart bezüglich GenRSA. Anmerkungen: Falls N effizient faktorisiert werden kann, ist das RSA Problem nicht hart. (Warum?) Berechnen von d ist so schwer wie Faktorisieren von N. Offenes Problem: Impliziert eine Lösung des RSA Problem eine Lösung des Faktorisierungsproblems? Enc ist deterministisch, d.h. Textbook RSA ist nicht CPA-sicher. Unter der RSA-Annahme: Kein ppt Angreifer kann für zufällige m Z N aus (N, e, me mod N) die ganze Nachricht m berechnen. Krypto II - Vorlesung Hybride Verschlüsselung, Textbook RSA 37 / 170

38 Angriffe auf Textbook RSA Verschlüsseln von kurzen Nachrichten mit kleinem e Sei m < N 1 e. Dann gilt c = m e < N. D.h. c 1 e über Z liefert m. Realistisch bei hybrider Verschlüsselung: N 1024-Bit und e = 3, m ist 128-Bit Schlüssel für symmetrische Verschlüsselung. Hastad Angriff auf RSA Szenario: Verschlüsselung desselben m unter verschiedenen pk. Sei pk 1 = (N 1, 3), pk 2 = (N 2, 3), pk 3 = (N 3, 3). Angreifer erhält c 1 = m 3 mod N 1, c 2 = m 3 mod N 2 und c 3 = m 3 mod N 3. Berechne mittels Chinesischem Restsatz eind. c Z N1 N 2 N 3 mit c = c 1 mod N 1 c = c 2 mod N 2 c = c 3 mod N 3. Es gilt c = m 3 < (min{n 1, N 2, N 3 }) 3 < N 1 N 2 N 3, d.h. m = c 1 3. Krypto II - Vorlesung Hybride Verschlüsselung, Textbook RSA 38 / 170

39 Padded RSA Definition Padded RSA Verschlüsselungsverfahren Sei n ein Sicherheitsparameter und l eine Fkt. mit l(n) 2n 2. 1 Gen : (N, e, d) GenRSA(1 n ) 2 Enc : Für m {0, 1} l(n) und r R {0, 1} N l(n) 1 berechne c (r m) e mod N. 3 Dec : r m := c d mod N. Gib die untersten l(n) Bits aus. Anmerkungen Für l(n) = 2n O(log n) kann r in polyn. Zeit geraten werden. Für l(n) = cn, konstantes c < 2, ist kein CPA Angriff bekannt. Für l(n) = O(log n) kann CPA-Sicherheit gezeigt werden. Weitverbreitete standardisierte Variante von Padded RSA: PKCS #1 version 1.5 mit c := ( r 0 8 m) e mod N. Krypto II - Vorlesung Hybride Verschlüsselung, Textbook RSA 39 / 170

40 Einfache symmetrische Verschlüsselung Algorithmus ONE-TIME GRUPPENELEMENT Sei n ein Sicherheitsparameter. 1 Gen: Schlüsselerzeugung (G, g) G(1 n ), wobei G eine Gruppe und g R G ein zufälliger gemeinsamer geheimer Schlüssel ist. 2 Enc: Verschlüssele m G als c m g. 3 Dec: Entschlüssele c G als m := c g 1. Anmerkung: Das One-Time Pad erhalten wir als Spezialfall mit (G, ) = (F n 2,+). Krypto II - Vorlesung Hybride Verschlüsselung, Textbook RSA 40 / 170

41 Perfekte Sicherheit von ONE-TIME ELEMENT Satz Perfekte Sicherheit von ONE-TIME ELEMENT (Krypto I) ONE-TIME ELEMENT Π ist eine perfekt sichere symmetrisches Verschlüsselung, d.h. für alle Angreifer A gilt Ws[PrivK A,Π (n) = 1] = 1 2. Beweis: Klartext-, Chiffretext und Schlüsselraum sind identisch M = C = K = G. Jeder Schlüssel g G wird gleichverteilt mit Ws 1 G gewählt. Für jedes m, c G existiert genau ein Schlüssel g = c m 1 mit c = Enc g (m). Nach dem Satz von Shannon ist Π damit perfekt sicher. D.h. Ws[PrivK A,Π (n) = 1] = 1 2. Anmerkungen: Geheimer Schlüssel sk = g muss stets neu gewählt werden. Idee für PK-Verfahren: Ersetze das zufällige g durch ein stets neu gewähltes pseudozufälliges Gruppenelement. Krypto II - Vorlesung Hybride Verschlüsselung, Textbook RSA 41 / 170

42 ElGamal Verschlüsselungsverfahren (1984) Definition ElGamal Verschlüsselungsverfahren Sei n ein Sicherheitsparameter. 1 Gen : (q, g) G(1 n ), wobei g eine Gruppe G der Ordnung q generiert. Wähle x R Z q und berechne h g x. Schlüssel: pk = (q, g, h), sk = (q, g, x) 2 Enc : Für eine Nachricht m G wähle ein y R Z q und berechne c (g y, h y m). 3 Dec : Für einen Chiffretext c = (c 1, c 2 ) berechne m := c 2 c. 1 x Korrektheit: c 2 c x 1 = hy m (g y ) x = (gx ) y m g xy = m. c 2 ist ein Analog von Enc bei ONE-TIME GRUPPENELEMENT mit einem DH-Schlüssel g xy als pseudozufälligem Gruppenelement. Anmerkung: Parameter q, g können global für alle Teilnehmer gewählt werden. Krypto II - Vorlesung ElGamal, CPA-Sicherheit unter DDH, CCA Angriffe, Malleability 42 / 170

43 Sicherheit von ElGamal Satz CPA-Sicherheit ElGamal ElGamal Π ist CPA-sicher unter der DDH-Annahme. Beweis: Sei A ein Angreifer auf ElGamal Π mit Erfolgsws ǫ(n) := Ws[PubK cpa A,Π (n) = 1]. Wir konstruieren mittels A einen Unterscheider D zum Unterscheiden von DDH-Instanzen (q, g, g x, g y, g ) mit g = g xy oder g = g z. Krypto II - Vorlesung ElGamal, CPA-Sicherheit unter DDH, CCA Angriffe, Malleability 43 / 170

44 Unterscheider für DDH durch A Algorithmus DDH-Unterscheider D EINGABE: (q, g, g x, g y, g ) 1 Setze pk = (G, q, g, g x ). 2 (m 0, m 1 ) A(pk). 3 Wähle b R {0, 1} und berechne b A(g y, g m b ). 4 Falls b = b Ausgabe 1, sonst Ausgabe 0. { 1 wird interpretiert als g = g xy AUSGABE: 0 wird interpretiert als g = g z. Krypto II - Vorlesung ElGamal, CPA-Sicherheit unter DDH, CCA Angriffe, Malleability 44 / 170

45 DDH-Unterscheider mit Angreifer A Unterscheider D A (1 n,q,g,g x,g y,g ) pk = (q,g,g x ) b R {0,1} c = (g y,g m b ) (1 n,pk) (m 0,m 1 ) c m 0,m 1 M 1 bedeutet g = g xy 0 bedeutet g = g z Ausgabe: { 1 falls b = b 0 sonst b b {0,1} Krypto II - Vorlesung ElGamal, CPA-Sicherheit unter DDH, CCA Angriffe, Malleability 45 / 170

46 Fall DDH-Tupel Fall 1: DDH-Tupel, d.h. g = g xy. c = (g y, g xy m b ) ist identisch zu ElGamal-Chiffretexten verteilt. D.h. Ws[D(q, g, g x, g y, g xy ) = 1] = Ws[PubK A,Π (n) = 1] = ǫ(n). Fall 2: kein DDH-Tupel, d.h. g = g z für z R Z q. Chiffretext c = (c 1, c 2 ) ist von der Form (g y, g z m b ). c 2 ist identisch verteilt zu ONE TIME ELEMENT. Die erste Komponente c 1 ist unabhängig von c 2, d.h. Ws[PrivK A,Π (n) = 1] = 1 2. Es folgt Ws[D(G, q, g, g x, g y, g z ) = 1] = Ws[PubK A,Π (n) = 1] = 1 2. Aus der DDH-Annahme folgt negl(n) Ws[D(G, q, g, g x, g y, g z ) = 1] Ws[D(G, q, g, g x, g y, g xy ) = 1] = 1 2 ǫ(n). Damit gilt ǫ(n) negl(n). Krypto II - Vorlesung ElGamal, CPA-Sicherheit unter DDH, CCA Angriffe, Malleability 46 / 170

47 Parameterwahl bei ElGamal Einbetten von Nachrichten m {0, 1} Beliebte Parameterwahl:Z p, p = 2q + 1 mit p, q prim. D.h. p ist eine sogenannte starke Primzahl. Ziel: Konstruktion einer Untergruppe G mit Ordnung q. Quadrieren Z p Z p, x x 2 ist eine (2 : 1)-Abbildung. Urbilder x, p x kollidieren, genau eines ist in [ p 1 2 ] = [q]. Wir bezeichnen den Bildraum mit QR p. QR p ist Untergruppe von Z p mit Ordnung q. Wählen g als Generator von QR p. Sei q = n. Interpretieren m {0, 1} n 1 als natürliche Zahl kleiner q. Es gilt m + 1 [q]. Einbettung von m ist m = (m + 1) 2 mod p. Umkehren der Einbettung ist effizient berechenbar. Krypto II - Vorlesung ElGamal, CPA-Sicherheit unter DDH, CCA Angriffe, Malleability 47 / 170

48 CPA-Sicherheit ist ungenügend Definition CCA (informal) CCA (=Chosen Ciphertext Attack) ist ein Angriff, bei dem der Angreifer sich Chiffretext seiner Wahl entschlüsseln lassen kann. Beispiele in denen CPA-Sicherheit nicht genügt: Eve fängt verschlüsselte c = Enc(m) an Bob ab. Eve verschickt c selbst an Bob. Bob antwortet Eve und hängt dabei m an die Antwort an. D.h. Bob fungiert als Entschlüsselungsorakel. Alice und Eve nehmen als Bieter an einer Auktion von Bob teil. Alice sendet ihr Gebot c = Enc(m) verschlüsselt an Bob. Enc soll CPA-sicher sein, d.h. Eve erhält keine Information über m. Frage: Ist es Eve möglich, c = Enc(2m) aus c zu berechnen, ohne m zu kennen, und damit Alice zu überbieten? (Malleability) Es gilt: CCA-Sicherheit impliziert Non-Malleability. (ohne Beweis) Krypto II - Vorlesung ElGamal, CPA-Sicherheit unter DDH, CCA Angriffe, Malleability 48 / 170

49 CCA Ununterscheidbarkeit Spiel CCA Ununterscheidbarkeit von Chiffretexten PubK cca A,Π (n) Sei Π ein PK-Verschlüsselungsverfahren mit Angreifer A. 1 (pk, sk) Gen(1 n ) 2 (m 0, m 1 ) A Dec sk( ) (pk), wobei Dec sk ( ) ein Entschlüsselungsorakel für A für beliebige Chiffretexte ist. 3 Wähle b R {0, 1}. Verschlüssele c Enc pk (m b ). 4 b A Decsk( ) (c), wobei A beliebige Chiffretexte c c durch das Orakel Dec sk ( ) entschlüsseln lassen darf. { 5 PubKA,Π cca(n) 1 für b = b 0 sonst Anmerkungen: Zusätzlich zum Verschlüsselungs-Orakel bei CPA besitzt A bei CCA ein weiteres Entschlüsselungs-Orakel Dec sk ( ). Falls A in Schritt 4 auch c entschlüsseln darf, ist das Spiel trivial. Krypto II - Vorlesung ElGamal, CPA-Sicherheit unter DDH, CCA Angriffe, Malleability 49 / 170

50 PubK cca A,Π (n) (pk,sk) Gen(1 n ) m 1 = Dec sk(c 1 ) m i = Dec sk(c i ) b R {0,1} c = Enc pk (m b ) m i+1 = Dec sk(c i+1 ) m q = Dec sk (c q) Ausgabe: { 1 falls b = b = 0 sonst (1 n,pk) c 1 m 1. c i m i (m 0,m 1 ) c c i+1 m i+1. c q m q b A c 1 C c i C, i q m 0,m 1 M c i+1 C\{c} c q C\{c} b {0,1} Krypto II - Vorlesung ElGamal, CPA-Sicherheit unter DDH, CCA Angriffe, Malleability 50 / 170

51 CCA-Sicherheit Definition CCA-Sicherheit Ein Verschlüsselungsverfahren Π heißt CCA-sicher (bzw. besitzt ununterscheidbare Chiffretexte unter CCA), falls für alle ppt Angreifer A gilt Ws[PubK cca A,Π (n) = 1] negl(n). Anmerkungen: Erstes effizientes CCA-sicheres Verfahren Cramer-Shoup (1998). Cramer-Shoup ist CCA-sicher unter der DDH-Annahme. Chiffretexte sind doppelt so lang wie bei ElGamal. Sicherheitsbeweis von Cramer-Shoup ist nicht-trivial. Später in der Vorlesung: CCA-sichere Verfahren im sogenannten Random Oracle Modell. Krypto II - Vorlesung ElGamal, CPA-Sicherheit unter DDH, CCA Angriffe, Malleability 51 / 170

52 CCA Angriff und Malleability von Textbuch RSA CCA Angriff auf Textbuch RSA Wollen c = m e mod N entschlüsseln. Man beachte: c darf nicht direkt angefragt werden. Berechne c = c r e = (mr) e mod N für r Z N \{1}. Berechne mr Dec sk (c ) mittels Entschlüsselungs-Orakel. Berechne mr r 1 = m mod N. Malleability von Textbuch RSA Voriger Angriff zeigt: Für c = m e mod N kann die Verschlüsselung von mr berechnet werden, ohne m selbst zu kennen. D.h. Textbuch RSA ist malleable. Krypto II - Vorlesung ElGamal, CPA-Sicherheit unter DDH, CCA Angriffe, Malleability 52 / 170

53 CCA Angriff und Malleability von ElGamal Praktischer CCA-Angriff auf Padded RSA Variante PKCS #1 v1.5 Bleichenbacher Angriff: Sende adaptiv Chiffretexte an Server. Falls die Entschlüsselung nicht das korrekte Format besitzt, sendet der Server eine Fehlermeldung zurück. Genügt, um einen beliebigen Chiffretext c zu entschlüsseln. CCA Angriff auf ElGamal Ziel: Entschlüssele c = (g y, g xy m). Lasse c = (g y, g xy m r) für r G\{1} entschlüsseln. Berechne mr r 1 = m. ElGamal ist malleable, da c korrekte Verschlüsselung von mr. Krypto II - Vorlesung ElGamal, CPA-Sicherheit unter DDH, CCA Angriffe, Malleability 53 / 170

54 Einwegfunktionen Ziel: CPA-sichere Verschlüsselung aus Trapdoor-Einwegpermutation Später: CCA-sichere Verschlüsselung aus Trapdoor-Einwegperm. Spiel Invertieren Invert A,f (n) Sei f : {0, 1} {0, 1} effizient berechenbar,a ein Invertierer für f. 1 Wähle x R {0, 1} n. Berechne y f(x). 2 x A(1 n, y) 3 Invert A,f (n) = { 1 falls f(x ) = y 0 sonst. Definition Einwegfunktion Eine Funktion f : {0, 1} {0, 1} heißt Einwegfunktion, falls 1 Es existiert ein deterministischer pt Alg B mit f(x) B(x). 2 Für alle ppt Algorithmen A gilt Ws[Invert A,f (n) = 1] negl(n). Krypto II - Vorlesung Konstruktion einer Einwegfunktion, Trapdoor-Permutation, Hardcore-Prädikat 54 / 170

55 Spiel Invertieren Invert A,f (n) Wähle: x R {0,1} n Berechne: y f(x) Ausgabe: { 1 falls f(x ) = y 0 sonst (1 n,y) x A Berechne: x {0,1} n Krypto II - Vorlesung Konstruktion einer Einwegfunktion, Trapdoor-Permutation, Hardcore-Prädikat 55 / 170

56 Die Faktorisierungsannahme Problem: Existenz von Einwegfunktionen ist ein offenes Problem. Konstruktion unter Komplexitätsannahme (z.b. Faktorisierung) Verwenden dazu (N, p, q) GenModulus(1 n ) von RSA. Spiel Faktorisierungsspiel Factor A,GenModulus (n) 1 (N, p, q) GenModulus(1 n ) 2 (p, q ) A(N) mit p, q > 1. { 1 falls p q = N 3 Factor A,GenModulus (n) =. 0 sonst Krypto II - Vorlesung Konstruktion einer Einwegfunktion, Trapdoor-Permutation, Hardcore-Prädikat 56 / 170

57 Spiel Faktorisieren Factor A,GenModulus (n) (N,p,q) GenModulus(1 n ) Ausgabe: { 1 falls p q = N 0 sonst (1 n,n) (p,q ) A Berechne: p,q > 1 Definition Faktorisierungsannahme Faktorisieren ist hart bezüglich GenModulus falls für alle ppt Algorithmen A gilt Ws[Factor A,GenModulus (n) = 1] negl(n). Faktorisierungsannahme: Faktorisieren ist hart bezüglich GenModulus. Krypto II - Vorlesung Konstruktion einer Einwegfunktion, Trapdoor-Permutation, Hardcore-Prädikat 57 / 170

58 Konstruktion aus Faktorisierungsannahme Sei p(n) ein Polynom, so dass GenModulus(1 n ) höchstens p(n) Zufallsbits verwendet. OBdA sei p(n) : N N monoton wachsend. Algorithmus FACTOR-ONEWAY f FO Eingabe: x {0, 1} 1 Berechne n mit p(n) x < p(n+1). 2 (N, p, q) := GenModulus(1 n, x), wobei GenModulus die Eingabe x als internen Zufallsstring verwendet. Ausgabe: N Bemerkung: GenModulus(1 n, x) ist deterministisch. (Derandomisierung) Krypto II - Vorlesung Konstruktion einer Einwegfunktion, Trapdoor-Permutation, Hardcore-Prädikat 58 / 170

59 Existenz von Einwegfunktionen Satz Einweg-Eigenschaft von f FO Unter der Faktorisierungsannahme ist f FO eine Einwegfunktion. Beweis: Sei A ein Invertierer für f FO mit Erfolgsws ǫ(n). Konstruieren mit A Faktorisierer A im Spiel Factor A,GenModulus(n). Algorithmus Faktorisierer A EINGABE: 1 n, N 1 x A(1 n, N). 2 (N, p, q ) GenModulus(1 n, x ). AUSGABE: p, q Unter der Faktorisierungsannahme gilt negl(n) Ws[Factor A,GenModulus(n) = 1] = Ws[Invert A,fFO (n) = 1] = ǫ(n). Krypto II - Vorlesung Konstruktion einer Einwegfunktion, Trapdoor-Permutation, Hardcore-Prädikat 59 / 170

60 Faktorisieren mit Invertierer für f FO Factor A,GenModulus (N,p,q) GenModu lus(1 n ) (1 n,n) Faktorisierer A (1 n,n) A Ausgabe: { 1 falls N = p q = 0 sonst p,q (N,p,q ) := GenModulus(1 n,x ) x Krypto II - Vorlesung Konstruktion einer Einwegfunktion, Trapdoor-Permutation, Hardcore-Prädikat 60 / 170

61 Trapdoor-Permutationsfamilie Definition Permutationsfamilie Eine Permutationsfamilie Π f = (Gen, Samp, f) besteht aus 3 ppt Alg: 1 I Gen(1 n ), wobei I eine Urbildmenge D für f definiert. 2 x Samp(I), wobei x R D. 3 y := f I (x) und f : D D ist bijektiv. Definition Trapdoor-Permutationsfamilie Trapdoor-Permutationsfamilie Π f = (Gen, Samp, f, Inv) besteht aus 1 (I, td) Gen(1 n ) mit td als Trapdoor-Information. 2 x Samp(I) wie zuvor. 3 y := f I (x) wie zuvor. 4 x Inv td (y) mit Inv td (f I (x)) = x für alle x D. Krypto II - Vorlesung Konstruktion einer Einwegfunktion, Trapdoor-Permutation, Hardcore-Prädikat 61 / 170

62 Spiel Invertieren einer Permutation Invert A,Πf (n) Sei A ein Invertierer für die Familie Π f. 1 I Gen(1 n ), x Samp(I) und y f(i, x). 2 x A(I, y). 3 Invert A,Π (n) = { 1 falls f(x ) = y 0 sonst. Invert A,Πf (n) I Gen(1 n ) x Samp(I) y f I (x) Ausgabe: { 1 falls f(x ) = y 0 sonst (1 n,i,y) x A Berechne x. Krypto II - Vorlesung Konstruktion einer Einwegfunktion, Trapdoor-Permutation, Hardcore-Prädikat 62 / 170

63 Konstruktion einer Trapdoor-Einwegpermutation Definition Einweg-Permutation Eine (Trapdoor-)Permutationsfamilie heißt (Td-)Einwegpermutation falls für alle ppt Algorithmen A gilt Ws[Invert A,Πf (n) = 1] negl(n). Bsp: Trapdoor-Einwegpermutation unter RSA-Annahme Gen(1 n ): (N, e, d) GenRSA(1 n ), Ausgabe I = (N, e) und td = (N, d). Samp(I): Wähle x R Z N. f I (x): Berechne y := x e mod N. Inv td (y): Berechne x := y d mod N. Krypto II - Vorlesung Konstruktion einer Einwegfunktion, Trapdoor-Permutation, Hardcore-Prädikat 63 / 170

64 Hardcore-Prädikat Ziel: Destilliere Komplexität des Invertierens auf ein Bit. Definition Hardcore-Prädikat Sei Π f eine Einwegpermutation. Sei hc ein deterministischer pt Alg mit Ausgabe eines Bits hc(x) bei Eingabe x D. hc heißt Hardcore-Prädikat für f falls für alle ppt Algorithmen A gilt: Ws[A(1 n, I, f(x)) = hc(x)]] negl(n). Intuition: Bild f(x) hilft nicht beim Berechnen von hc(x). Krypto II - Vorlesung Konstruktion einer Einwegfunktion, Trapdoor-Permutation, Hardcore-Prädikat 64 / 170

65 Spiel zum Berechnen des Hardcore-Prädikats CompHC A,Πf (n) I Gen(1 n ) x Samp(I) y f I (x) Ausgabe: { 1 falls hc(x) = hc(x) 0 sonst (1 n,i,y) hc(x) A Berechne hc(x). Falls hc ein Hardcoreprädikat ist, so gilt für alle ppt A Ws[CompHC A,Πf (n) = 1] = Ws[A(1 n, I, f(x)) = hc(x)]] negl(n). Krypto II - Vorlesung Konstruktion einer Einwegfunktion, Trapdoor-Permutation, Hardcore-Prädikat 65 / 170

66 Goldreich-Levin Hardcore-Prädikat Satz von Goldreich-Levin Sei Π f eine Einwegpermutation. Dann existiert eine EinwegpermutationΠ g mit Hardcoreprädikat hc. Konstruktion: (ohne Beweis) Sei f eine Einwegpermutation mit Definitionsbereich {0, 1} n. Sei x = x 1... x n {0, 1} n. Konstruiere g(x, r) := (f(x), r) mit r R {0, 1} n. Offenbar ist g ebenfalls eine Einwegpermutation. Wir konstruieren ein Hardcore-Prädikat hc für g mittels hc(x, r) = x, r = n i=1 x ir i mod 2. Beweis der Hardcore-Eigenschaft ist nicht-trivial. Krypto II - Vorlesung Konstruktion einer Einwegfunktion, Trapdoor-Permutation, Hardcore-Prädikat 66 / 170

67 Verschlüsselung aus Trapdoor-Einwegpermutation Algorithmus Π cpa Sei Π f eine Td-Einwegpermutation mit Hardcore-Prädikat hc. 1 Gen: (I, td) Gen(1 n ). Ausgabe pk = I und sk = td. 2 Enc: Für m {0, 1} setze x Sample(I) und berechne c (f(x), hc(x) m). 3 Dec: Für Chiffretext c = (c 1, c 2 ) berechne x := Inv td (c 1 ) und m := c 2 hc(x). Intuition: hc(x) ist pseudozufällig gegeben f(x). D.h. hc(x) m ist ununterscheidbar von 1-Bit One-Time Pad. Krypto II - Vorlesung Konstruktion einer Einwegfunktion, Trapdoor-Permutation, Hardcore-Prädikat 67 / 170

68 Bsp: Verschlüsselung mit RSA-Td-Einwegpermutation Algorithmus Π rsa cpa Sei Π rsa die RSA Td-Einwegpermutation mit Hardcore-Prädikat hc. 1 Gen: (N, e, d) GenRSA(1 n ). Ausgabe pk = (N, e) und sk = (N, d). 2 Enc: Für m {0, 1} wähle r R Z N und berechne c (r e mod N, hc(r) m). 3 Dec: Für Chiffretext c = (c 1, c 2 ) berechne r := c1 d mod N und m c 2 hc(r). Krypto II - Vorlesung Konstruktion einer Einwegfunktion, Trapdoor-Permutation, Hardcore-Prädikat 68 / 170

69 CPA-Sicherheit unserer Konstruktion Satz CPA-Sicherheit von Π cpa Sei Π f eine Trapdoor-Einwegpermutation mit Hardcore-Prädikat hc. Dann ist Π cpa CPA-sicher. Beweis: Sei A ein Angreifer mit Erfolgsws ǫ(n) = Ws[PubK cpa A,Π f (n) = 1]. OBdA (m 0, m 1 ) A(pk) mit {m 0, m 1 } = {0, 1}. (Warum?) VerwendenA, um A im Spiel CompHC A,Π f (n) zu konstruieren. Algorithmus Angreifer A Eingabe: 1 n, I, y = f(x) D 1 Setze pk I und berechne (m 0, m 1 ) A(pk). 2 Wähle b, z R {0, 1}. Setze c 2 m b z. 3 b A(y, c 2 ) Ausgabe: hc(x) = { z falls b = b. z sonst Krypto II - Vorlesung CPA-sichere Verschlüsselung, Random Oracle Modell, ROM-RSA 69 / 170

70 Angreifer A für das Hardcore-Prädikat CompHC A,Πf (n) I Gen(1 n ) x Samp(I) y f I (x) Ausgabe: { 1 hc(x) = hc(x) 0 sonst (1 n,i,y) hc(x) A pk = I (1 n,pk) b,z R {0,1} (m 0,m 1 ) c 2 = (m b z) (y,c 2 ) Ausgabe: { hc(x) z if b = b = z else b A Krypto II - Vorlesung CPA-sichere Verschlüsselung, Random Oracle Modell, ROM-RSA 70 / 170

71 CPA-Sicherheit von Π cpa Beweis: Fortsetzung Sei x = f 1 (y). A hc rät z = hc(x). Es gilt Ws[A hc (f(x)) = hc(x)] = 1 2 Ws[b = b z = hc(x)]+ 1 2 Ws[b b z hc(x)]. 1. Fall z = hc(x): (y, c 2 ) ist korrekte Verschlüsselung von m b, d.h. 2. Fall z hc(x): Es gilt Ws[b = b z = hc(x)] = ǫ(n). (y, c 2 ) = (f(x), z m b ) = (f(x), z 1 m b 1) = (f(x), hc(x) m b 1). D.h. (y, c 2 ) ist korrekte Verschlüsselung von m b 1 = m 1 b. Ws[b b z hc(x)] = Ws[1 b = b z 1 = hc(x)] = ǫ(n). Da hc ein Hardcore-Prädikat ist, folgt negl(n) Ws[A hc(f(x)) = hc(x)] = ǫ(n). Krypto II - Vorlesung CPA-sichere Verschlüsselung, Random Oracle Modell, ROM-RSA 71 / 170

72 Random Oracle Definition Random Oracle Sei F n,l die Menge aller Funktionen{0, 1} n {0, 1} l(n). Ein Random Oracle ist eine zufällige Funktion H R F n,l. Wir besitzen keine Beschreibung von H. Bei Anfrage x liefert das Random Oracle H(x). Anmerkung: Bildliche Darstellung Ein Random Oracle H ist eine Funktion in einer schwarzen Box. H ist beobachtbar über das Eingabe/Ausgabe-Verhalten der Box. Alternative Beschreibung eines Random Oracles Oracle erhält Anfragen x 1,..., x q. Falls x i x j für alle j < i, gib y i R {0, 1} l(n) aus. Falls x i = x j für ein j < i, gib y j aus. D.h. wir können uns vorstellen, dass das Orakel die Antworten auf Anfragen bei Bedarf erzeugt und konsistent beantwortet. Damit können Random Oracle durch ppt Alg. simuliert werden. Krypto II - Vorlesung CPA-sichere Verschlüsselung, Random Oracle Modell, ROM-RSA 72 / 170

73 Random Oracles liefern Einwegfunktionen Satz Für polynomielles l(n) sind Random Oracles H Einwegfunktionen. Beweis: Sei x R {0, 1} n und y = H(x). Wollen ein Urbild von y ermitteln. Jeder Angreifer A stellt obda verschiedene Anfragen x 1,..., x q. (Warum sollte jeder Angreifer so verfahren?) A gewinnt offenbar falls x i = x für ein i [q]. Es gilt Ws[x i = x für ein i] = q i=1 Ws[x i = x] = q 2. n A gewinnt ebenfalls für H(x i ) = y für mindestens ein i [q], d.h. Ws[H(x i ) = y für mindestens ein i] q i=1 Ws[H(x i) = y] = q. 2 l(n) Damit gilt Ws[Invert A,H (n) = 1] q 2 + q. n 2 l(n) Für polynomielles q, l(n) ist dies vernachlässigbar in n. Krypto II - Vorlesung CPA-sichere Verschlüsselung, Random Oracle Modell, ROM-RSA 73 / 170

74 Random Oracle und kollisionsresistentes Hashen Satz Für polynomielles l(n) sind Random Oracles kollisionsresistent. Beweis: Jeder Angreifer A stellt obda verschiedene Anfragen x 1,..., x q. A gewinnt mit Ws[H(x i ) = H(x j ) für ein i j] i j Ws[H(x i) = H(x j )] = (q 2) q2. 2 l(n) 2 l(n) Dies ist vernachlässigbar für polynomielles q, l(n). Krypto II - Vorlesung CPA-sichere Verschlüsselung, Random Oracle Modell, ROM-RSA 74 / 170

75 Random Oracle Methode Definition Random Oracle Modell / Methode Das Random Oracle Modell (ROM) nimmt die Existenz von Random Oracles an. Die Random Oracle Methode besteht aus 2 Schritten: 1 Konstruiere ein Verfahren Π mit Hilfe eines Random Oracles H und beweise die Sicherheit von Π im ROM. 2 Instantiiere Π mit einer kryptographischen Hashfunktion H anstelle von H, z.b. mit SHA-1. Negativ: Beschreibung von H spezifiziert H (x) für alle x. Es existieren künstliche Kryptosysteme, die sicher im Random Oracle Modell aber unsicher für jede Instantiierung von H sind. Positiv: Ein Beweis im ROM ist besser als kein Beweis. Erfolgreicher Angriff muss die Instantiierung von H attackieren. H kann leicht durch eine andere Hashfunktion ersetzt werden. Krypto II - Vorlesung CPA-sichere Verschlüsselung, Random Oracle Modell, ROM-RSA 75 / 170

76 CPA-sicheres effizientes RSA im ROM Verschlüsselung ROM-RSA Sei H : Z N {0, 1}l(n) ein Random Oracle. 1 Gen: (N, e, d) GenRSA(1 n ) mit pk = (N, e), sk = (N, d). 2 Enc: Für m {0, 1} l(n), wähle r R Z N. Berechne c (r e mod N, H(r) m). 3 Dec: Für c = (c 1, c 2 ) berechne r := c1 d mod N und m := H(r) c 2. Krypto II - Vorlesung CPA-sichere Verschlüsselung, Random Oracle Modell, ROM-RSA 76 / 170

77 Sicherheit von RSA im Random Oracle Modell Satz CPA-Sicherheit von ROM-RSA Unter der RSA-Annahme und für ein Random Oracle H ist ROM-RSA Π CPA-sicher. Beweis: Sei A ein Angreifer mit Erfolgws ǫ(n) = Ws[PubK cpa A,Π (n) = 1]. A darf Orakelanfragen an H stellen, sowohl vor Ausgabe von (m 0, m 1 ) als auch nach Erhalt von Enc(m b ). Definiere Query : Ereignis A stellt Anfrage r = c1 d mod N an H. ǫ(n) = Ws[Query] Ws[PubK cpa A,Π (n) = 1 Query]+ Ws[Query] Ws[PubK cpa A,Π (n) = 1 Query] Ws[PubK cpa A,Π (n) = 1 Query]+Ws[Query]. Zeigen Ws[PubK cpa A,Π (n) = 1 Query] = 1 2 und Ws[Query] negl(n). Daraus folgt ǫ(n) negl(n). Krypto II - Vorlesung CPA-sichere Verschlüsselung, Random Oracle Modell, ROM-RSA 77 / 170

78 Beweis der CPA-Sicherheit von ROM-RSA (1/3) Beweis: Falls r nicht an H angefragt wird, ist H(r) m nach Eigenschaft des Random Oracles ein perfektes One-Time Pad für m. Daraus folgt Ws[PubK cpa A,Π (n) = 1 Query] = 1 2. Krypto II - Vorlesung CPA-sichere Verschlüsselung, Random Oracle Modell, ROM-RSA 78 / 170

79 Beweis der CPA-Sicherheit von ROM-RSA (2/3) Beweis: Ws[Query] negl(n) Idee: Verwende Anfragen von A, um e-te Wurzeln zu berechnen. Algorithmus RSA-Invertierer A EINGABE: N, e, c 1 = r e mod N 1 Wähle k R {0, 1} l(n). (Wir setzen H(r) = k, ohne r zu kennen.) 2 (m 0, m 1 ) A(N, e), beantworte { Orakelanfragen r i an H( ) k i = k für ri e = c 1 mod N konsistent mit k i R {0, 1} l(n). sonst 3 Berechne c (c 1, k m b ) für ein b R {0, 1}. 4 b A(c), beantworte Anfragen von A an H( ) wie zuvor. 5 Falls r e i = c 1 mod N für eine der Orakelanfragen, setze r r i. AUSGABE: r Es gilt Ws[Query] = Ws[A (N, e, r e ) = r] negl(n). Krypto II - Vorlesung CPA-sichere Verschlüsselung, Random Oracle Modell, ROM-RSA 79 / 170

80 Beweis der CPA-Sicherheit von ROM-RSA (3/3) A Invert A,Π RSA (n) (1 n,n,e,c 1 ) pk = (N,e) k i,k R {0,1} n (N,e,d) GenRSA(1 n ) { r R Z k if ri e N H(r i ) = = c 1 c 1 = r e mod N k i sonst Ausgabe: { 1 (r ) e = c 1 0 sonst r c 2 := k m b für{ b R {0,1} r r i if ri e = = c 1 sonst (1 n,pk) r i H(r i ) (m 0,m 1 ) (c 1,c 2 ) b A Krypto II - Vorlesung CPA-sichere Verschlüsselung, Random Oracle Modell, ROM-RSA 80 / 170

81 Sicherheit gegenüber CCA Idee: Ersetze One-Time Pad durch CCA-sicheres Secret Key Verfahren. Erinnerung Krypto I: Konstruktion von CPA-sicherem Secret Key Verfahren mittels Pseudozufallsfunktion (und MAC) möglich. Verschlüsselung ROM-RSA-2 Sei H : Z N {0, 1}l(n) ein Random Oracle, Π = (Gen, Enc, Dec ) ein CPA-sicheres Secret Key Verschlüsselungsverfahren. 1 Gen: (N, e, d) GenRSA(1 n ) mit pk = (N, e), sk = (N, d). 2 Enc: Für m {0, 1} l(n), wähle r R Z N. Berechne k = H(r) und c (r e mod N, Enc k (m)). 3 Dec: Für c = (c 1, c 2 ) berechne r c d 1 mod N, k H(r) und m Dec k (c 2). Krypto II - Vorlesung CCA-sicheres RSA, Jacobi-Symbol, Goldwasser-Micali 81 / 170

82 Sicherheit von ROM-RSA-2 Satz Sicherheit von ROM-RSA-2 Unter der RSA-Annahme, für ein Random Oracle H und ein CPA-sicheres Π liefert ROM-RSA-2 CCA-sichere Verschlüsselung. Anmerkungen: Wir werden den Satz hier nicht formal beweisen. Der Beweis verläuft großteils analog zum vorigen Beweis. Problem: Müssen Orakel Dec sk ( ) simulieren, ohne sk zu kennen. Verwende dazu geschicktes Simulieren des Random Oracles H( ). Bsp. für geschicktes Simulieren: s. Beweis zu RSA-FDH (später). Krypto II - Vorlesung CCA-sicheres RSA, Jacobi-Symbol, Goldwasser-Micali 82 / 170

83 Jacobi-Symbol Erinnerung Jacobi-Symbol: Beweise siehe Diskrete Mathematik II Definition Quadratischer Rest Sei N N. Ein Element a Z N heißt quadratischer Rest in Z N, falls es ein b Z N gibt mit b 2 = a mod N. Wir definieren QR N = {a Z N a ist quadratischer Rest } und QNR N = Z N \ QR N. Lemma Anzahl quadratischer Reste in primen Restklassen Sei p > 2 prim. Dann gilt QR p = Z p 2 = p 1 2. Beweisidee: Quadrieren auf Z p, x x 2, ist eine 2:1-Abbildung. Die verschiedenen Werte x,( x) werden beide auf x 2 abgebildet. Krypto II - Vorlesung CCA-sicheres RSA, Jacobi-Symbol, Goldwasser-Micali 83 / 170

84 Legendre-Symbol Definition Legendre Symbol Sei p > 2 prim und a N. Das Legendre Symbol ist definiert als ( ) a = p 0 falls p a 1 falls (a mod p) QR p 1 falls (a mod p) QNR p. Satz ( ) a = a p 1 2 mod p p Eigenschaften Quadratischer Reste ( ) ( ) 1 Multiplikativität: ab p = a b p)( p 2 (QR p, ) ist eine multiplikative Gruppe. Krypto II - Vorlesung CCA-sicheres RSA, Jacobi-Symbol, Goldwasser-Micali 84 / 170

85 Das Jacobi Symbol Definition Jacobi Symbol Sei N = p e pe k k N ungerade und a N. Dann ist das Jacobi Symbol definiert als ( a ) ( ) ei ( ) ek N = a p 1... a p k. Warnung: ( a N) = 1 impliziert nicht, dass a QRN ist. Bsp: ( 2 15) = ( 2 3) ( 2 5) = ( 1)( 1) = 1. D.h. 2 QNR 3 und 2 QNR 5. Damit besitzt x 2 = 2 weder Lösungen modulo 3 noch modulo 5. Nach CRT besitzt x 2 = 2 mod 15 ebenfalls keine Lösung. Krypto II - Vorlesung CCA-sicheres RSA, Jacobi-Symbol, Goldwasser-Micali 85 / 170

86 Pseudoquadrate Berechnung des Jacobi-Symbols: Sei a Z N. Berechnung von ( a N) ist in Zeit log 2 (max{n, a}) möglich, ohne die Faktorisierung von N zu kennen. Algorithmus ist ähnlich zum Euklidischen Algorithmus, verwendet das Gaußsche Reziprozitätsgesetz. Definition Pseudoquadrat Sei N N. Die Menge der Pseudoquadrate ist definiert als QNR +1 N = {a Z N ( a N) = 1 und a / QRN }. Krypto II - Vorlesung CCA-sicheres RSA, Jacobi-Symbol, Goldwasser-Micali 86 / 170

87 Multiplikation von Resten/Nichtresten Lemma Multiplikation von Resten/Nichtresten Sei N = pq ein RSA-Modul. Seien x, x QR N und y, y QNR +1 N. 1 xx QR N 2 yy QR N 3 xy QNR +1 N Beweis: für 3 (1+2 folgen analog) Nach Chinesischem Restsatz gilt QR N QR p QR q und QNR +1 N QNR p QNR q. Aus der Multiplikativität des Legendre-Symbols folgt ( xy ) ( )( ) ( ) N = xy xy p q = x x y y p)( q)( p)( q = 1 1 ( 1) ( 1) = 1. Analog gilt ( ) xy p Daraus folgt xy QNR +1 N. = ( x p )( ) y p = ( 1). Krypto II - Vorlesung CCA-sicheres RSA, Jacobi-Symbol, Goldwasser-Micali 87 / 170