Randomness Complexity of Private Circuits for Multiplication Sonia Belaรฏd, Fabrice Benhamouda, Alain Passelรจgue , Emmanuel Prouff, Adrian Thillard, Damien Vergnaud
brief introduction - side-channel attacks - masking - ๐ -probing model 1/16
key-idea: for security at order ๐ , split sensitive data ๐ฆ into ๐ + 1 ran andom variables (shares) s.t. ๐ฆ = ๐ฆ 0 โ ๐ฆ 1 โ โฏ โ ๐ฆ ๐ 2/16
key-idea: for security at order ๐ , split sensitive data ๐ฆ into ๐ + 1 ran andom variables (shares) s.t. ๐ฆ = ๐ฆ 0 โ ๐ฆ 1 โ โฏ โ ๐ฆ ๐ needs for a lot of randomness 2/16
randomness in cryptography used everywhere: - keys - RSA prime factors - ... 3/16
randomness in cryptography used everywhere: - keys - RSA prime factors - ... strong properties: - statistically random - uniformly distributed - independent - ... 3/16
where does it come from? 4/16
where does it come from? in the real world: natural randomness 4/16
where does it come from? in the real world: natural randomness in practice: - need special hardware - slow - bias or uneven distribution 4/16
where does it come from? in the real world: natural randomness randomness should be considered as a resource, in practice: - need special hardware like space and time - slow - bias or uneven distribution 4/16
private circuits ๐: 0,1 ๐ โ 0,1 ๐ ๐ ๐ ๐ 0,1 ๐ โฒ 0,1 ๐ โฒ 1 2 ๐ โฆ ๐ 2 ๐ 1 ๐ โ โฆ circuit . encoder decoder . . . ๐ฆ ๐(๐ฆ) ๐ท . . . ๐ฝ ๐ . . . . . correctness: ๐ ๐ท ๐ฝ ๐ฆ; ๐ ; ๐ = ๐ ๐ฆ , โ ๐ฆ, ๐, ๐ privacy: for any set ๐ of ๐ wires in ๐ท and for all ๐ฆ, ๐ง โ 0,1 ๐ : ๐ -priv {๐ท ๐ (๐ฝ ๐ฆ; ๐ ; ๐ )} ๐,๐ = {๐ท ๐ (๐ฝ ๐ง; ๐ ; ๐ )} ๐,๐ 5/16
private circuits ๐: 0,1 ๐ โ 0,1 ๐ ๐ ๐ ๐ 0,1 ๐ โฒ 0,1 ๐ โฒ 1 2 ๐ โฆ ๐ 2 ๐ 1 ๐ โ โฆ circuit . encoder decoder . . . ๐ฆ ๐(๐ฆ) ๐ท . . . ๐ฝ ๐ . . . . . 5/16
private circuits ๐: 0,1 ๐ โ 0,1 ๐ ๐ ๐ ๐ 0,1 ๐ โฒ 1 2 ๐ โฆ ๐ 2 ๐ 1 ๐ โ โฆ circuit . encoder decoder 0,1 ๐ โฒ . . . ๐ฆ ๐(๐ฆ) ๐ท . . . ๐ฝ ๐ . . . . . 5/16
private circuits ๐: 0,1 ๐ โ 0,1 ๐ ๐ ๐ ๐ 1 2 ๐ โฆ ๐ 2 ๐ 1 ๐ โ โฆ circuit . encoder 0,1 ๐ โฒ decoder . . . ๐ฆ ๐(๐ฆ) ๐ท . . . ๐ฝ ๐ . . . . . 5/16
private circuits ๐: 0,1 ๐ โ 0,1 ๐ ๐ ๐ ๐ 1 2 ๐ โฆ ๐ 2 ๐ 1 ๐ โ โฆ circuit . encoder decoder . . . ๐ฆ ๐(๐ฆ) ๐ท . . . ๐ฝ ๐ . . . . . 5/16
private circuits ๐: 0,1 ๐ โ 0,1 ๐ ๐ ๐ ๐ 1 2 ๐ โฆ ๐ 2 ๐ 1 ๐ โ โฆ circuit . encoder decoder . . . ๐ฆ ๐(๐ฆ) ๐ท . . . ๐ฝ ๐ . . . . . correctness: ๐ ๐ท ๐ฝ ๐ฆ; ๐ ; ๐ = ๐ ๐ฆ , โ ๐ฆ, ๐, ๐ 5/16
private circuits ๐: 0,1 ๐ โ 0,1 ๐ ๐ ๐ ๐ 1 2 ๐ โฆ ๐ 2 ๐ 1 ๐ โ โฆ circuit . encoder decoder . . . ๐ฆ ๐(๐ฆ) ๐ท . . . ๐ฝ ๐ . . . . . correctness: ๐ ๐ท ๐ฝ ๐ฆ; ๐ ; ๐ = ๐ ๐ฆ , โ ๐ฆ, ๐, ๐ privacy: for any set ๐ of ๐ wires in ๐ซ and for all ๐ฆ, ๐ง โ 0,1 ๐ : ๐ -priv {๐ท ๐ (๐ฝ ๐ฆ; ๐ ; ๐ )} ๐,๐ = {๐ท ๐ (๐ฝ ๐ง; ๐ ; ๐ )} ๐,๐ 5/16
this paper ๐, ๐ โ 0,1 2 โฆ ๐ โ ๐ โ 0,1 circuit decoder encoder ๐ ๐ ๐ 1 2 ๐ โฆ ๐ 0 ๐ 0 ๐ 0 ๐ 1 ADDITIONS ๐ 0 ๐ 2 ๐ 0 ๐ 1 โ ๐ ๐ ๐ = ๐ โ ๐ ๐ ๐ = ๐ โ ๐ . . . . โ ๐ ๐ ๐ = ๐ . . ๐ ๐ ONLY ๐ ๐ ๐ ๐โ1 ๐ ๐ ๐ ๐ 6/16
๐ ๐ ๐ 1 2 ๐ โฆ ๐ 0 ๐ 0 ๐ 0 ๐ 1 ADDITIONS ๐ 0 ๐ 2 ๐ 0 ๐ 1 . . . . . . ๐ ๐ ONLY ๐ ๐ ๐ ๐โ1 ๐ ๐ ๐ ๐ 6/16
๐ ๐ ๐ 1 2 ๐ โฆ ๐ 0 ๐ 0 ๐ 0 ๐ 1 ADDITIONS ๐ 0 ๐ 2 ๐ 0 ๐ 1 how much randomness is needed? . . . . . . ๐ ๐ ONLY ๐ ๐ ๐ ๐โ1 ๐ ๐ ๐ ๐ 6/16
Ishai-Sahai-Wagner scheme ๐ 0,๐ โ ๐ 0 ๐ โ ๐ ๐ ๐ 0 ๐ 0 ๐ 0 ๐ 0 ๐ 0,1 โ ๐ 0 ๐ 1 โ ๐ 1 ๐ 0 โฏ ๐ ๐ 1 ๐ 1 ๐ 1 ๐ 1,๐ โ ๐ 1 ๐ ๐ โ ๐ ๐ ๐ 1 0,1 โฎ โฎ โฑ โฎ โฎ ๐ ๐โ1 ๐ ๐ ๐ ๐โ1,๐ โ ๐ ๐โ1 ๐ ๐ โ ๐ ๐ ๐ ๐โ1 0,๐โ1 1,๐โ1 โฏ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ 0,๐ 1,๐ 7/16
Ishai-Sahai-Wagner scheme ๐ 0,๐ โ ๐ 0 ๐ โ ๐ ๐ ๐ 0 ๐ 0 ๐ 0 ๐ 0 ๐ 0,1 โ ๐ 0 ๐ 1 โ ๐ 1 ๐ 0 โฏ ๐ ๐ 1 ๐ 1 ๐ 1 ๐ 1,๐ โ ๐ 1 ๐ ๐ โ ๐ ๐ ๐ 1 0,1 โฎ โฎ โฑ โฎ โฎ ๐ ๐โ1 ๐ ๐ ๐ ๐โ1,๐ โ ๐ ๐โ1 ๐ ๐ โ ๐ ๐ ๐ ๐โ1 0,๐โ1 1,๐โ1 โฏ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ 0,๐ 1,๐ randomness complexity: ๐(๐ + 1)/2 7/16
๐ ๐ ๐ 1 2 ๐ โฆ ๐ 0 ๐ 0 ๐ 0 ๐ 0 ๐ 1 ADDITIONS ๐ 1 ๐ 0 ๐ 2 . . . . . . ONLY ๐ ๐ ๐ ๐โ1 ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ 8/16
any probe (wire value) has the form: ๐ = เป ๐ ๐ ๐ โ เป ๐ ๐ ๐ ๐,๐ โ๐โ 0,โฆ,๐ 2 ๐โ๐โ 1,โฆ,๐ ๐ ๐ ๐ 1 2 ๐ โฆ ๐ 0 ๐ 0 ๐ 0 ๐ 0 ๐ 1 ADDITIONS ๐ 1 ๐ 0 ๐ 2 . . . . . . ONLY ๐ ๐ ๐ ๐โ1 ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ 8/16
any probe (wire value) has the form: ๐ = เป ๐ ๐ ๐ โ เป ๐ ๐ ๐ ๐,๐ โ๐โ 0,โฆ,๐ 2 ๐โ๐โ 1,โฆ,๐ ๐ ๐ข โ ๐ ๐ โ ๐ โ ิฆ ๐ข โ ิฆ = ิฆ ๐ก ๐ ๐ with ิฆ ๐ = ๐ 0 , โฆ , ๐ ๐ , ๐ = ๐ 0 , โฆ , ๐ ๐ , ิฆ ๐ = ๐ 0 , โฆ , ๐ ๐ , ๐+1 ร ๐+1 , ิฆ ๐ก ๐ โ 0,1 ๐ ๐ ๐ โ 0,1 8/16
any probe (wire value) has the form: ๐ = เป ๐ ๐ ๐ โ เป ๐ ๐ ๐ ๐,๐ โ๐โ 0,โฆ,๐ 2 ๐โ๐โ 1,โฆ,๐ ๐ ๐ข โ ๐ ๐ โ ๐ โ ิฆ ๐ข โ ิฆ = ิฆ ๐ก ๐ ๐ any sum of probes has the form: with ิฆ ๐ = ๐ 0 , โฆ , ๐ ๐ , ๐ = ๐ 0 , โฆ , ๐ ๐ , ิฆ ๐ = ๐ 0 , โฆ , ๐ ๐ , ๐ ๐ข โ ๐ โ ๐ โ ิฆ ๐ก ๐ข โ ิฆ ิฆ ๐ ๐+1 ร ๐+1 , ิฆ ๐ก ๐ โ 0,1 ๐ ๐ ๐ โ 0,1 8/16
algebraic characterization condition 1: a set of probes ๐ = ๐ 1 , โฆ , ๐ โ satisfies condition 1 iff: ๐ ๐ข โ ๐ โ ๐ โ โจ ๐=1 ๐ ๐ = ิฆ and 1, โฆ , 1 is in the row (or column) space of ๐ 9/16
algebraic characterization condition 1: a set of probes ๐ = ๐ 1 , โฆ , ๐ โ satisfies condition 1 iff: ๐ ๐ข โ ๐ โ ๐ โ โจ ๐=1 ๐ ๐ = ิฆ and 1, โฆ , 1 is in the row (or column) space of ๐ the theorem: ๐ท is ๐ -private โ there does not exist ๐ = ๐ 1 , โฆ , ๐ โ , โ โค ๐ that satisfies condition 1 9/16
proof sketch โ assume ๐ 1 , โฆ , ๐ โ such that: ๐ ๐ข โ ๐ โ ๐ โ โจ ๐=1 ๐ ๐ = ิฆ and (1, โฆ , 1) is in the column space of ๐ 10/16
proof sketch โ assume ๐ 1 , โฆ , ๐ โ such that: ๐ ๐ข โ ๐ โ ๐ โ โจ ๐=1 ๐ ๐ = ิฆ and (1, โฆ , 1) is in the column space of ๐ โ there exists ๐โฒ โ 0,1 ๐+1 s.t. ๐ โ ๐โฒ = (1, โฆ , 1) 10/16
proof sketch โ assume ๐ 1 , โฆ , ๐ โ such that: ๐ ๐ข โ ๐ โ ๐ โ โจ ๐=1 ๐ ๐ = ิฆ and (1, โฆ , 1) is in the column space of ๐ โ there exists ๐โฒ โ 0,1 ๐+1 s.t. ๐ โ ๐โฒ = (1, โฆ , 1) 1 if ๐ โ ๐ โ (1, โฆ , 1) ๐ ๐ข โ ๐ โ ๐ = ๐ = เต Pr ิฆ 2 1 if ๐ โ ๐ = 1, โฆ , 1 10/16
proof sketch โ assume ๐ 1 , โฆ , ๐ โ such that: ๐ ๐ข โ ๐ โ ๐ โ โจ ๐=1 ๐ ๐ = ิฆ and (1, โฆ , 1) is in the column space of ๐ โ there exists ๐โฒ โ 0,1 ๐+1 s.t. ๐ โ ๐โฒ = (1, โฆ , 1) 1 if ๐ โ ๐ โ (1, โฆ , 1) ๐ ๐ข โ ๐ โ ๐ = ๐ = เต Pr ิฆ 2 1 if ๐ โ ๐ = 1, โฆ , 1 ๐ ๐ข โ ๐ โ ๐ = ๐ > Pr ิฆ ๐ ๐ข โ ๐ โ ๐ = เดค then, Pr ิฆ ๐ 10/16
proof sketch โ assume ๐ 1 , โฆ , ๐ โ such that: ๐ ๐ข โ ๐ โ ๐ โ โจ ๐=1 ๐ ๐ = ิฆ and (1, โฆ , 1) is in the column space of ๐ โ there exists ๐โฒ โ 0,1 ๐+1 s.t. ๐ โ ๐โฒ = (1, โฆ , 1) 1 if ๐ โ ๐ โ (1, โฆ , 1) ๐ ๐ข โ ๐ โ ๐ = ๐ = เต Pr ิฆ 2 1 if ๐ โ ๐ = 1, โฆ , 1 ๐ ๐ข โ ๐ โ ๐ = ๐ > Pr ิฆ ๐ ๐ข โ ๐ โ ๐ = เดค then, Pr ิฆ ๐ โ a lot more technical... 10/16
upper bound 11/16
upper bound randomness complexity of ISW: ๐ ๐ 2 needs for a quadratic complexity? th theorem: there exists a ๐ -private circuit for multiplication with randomness complexity ร(๐) . 11/16
proof sketch probabilistic method: non-constructive! 12/16
Recommend
More recommend