iO（Indistinguishability Obfuscation，不可區(qū)分混淆）是密碼學(xué)中黑科技一樣的存在，但很多人認(rèn)為它并不存在。最近，一些研究人員提出了新的 iO 協(xié)議。
2018 年，加州大學(xué)洛杉磯分校博士生 Aayush Jain 前往日本演講，介紹他和同事正在開發(fā)的一款強(qiáng)大的加密工具。在他陳述團(tuán)隊(duì)在 iO 方面的努力時(shí)，有觀眾提問：「我認(rèn)為 iO 不存在。」
當(dāng)時(shí)，這種看法較為普遍。如果 iO 確實(shí)存在，它不僅可以隱藏?cái)?shù)據(jù)集合，還可以隱藏計(jì)算機(jī)程序的內(nèi)部工作機(jī)制，創(chuàng)造出強(qiáng)大的加密工具。哈佛大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)教授 Boaz Barak 表示，這是「掌控一切的密碼學(xué)原語(yǔ)」，而這種力量的強(qiáng)大讓人們懷疑 iO 是否真的存在。
2013 年，計(jì)算機(jī)科學(xué)家 Sanjam Garg、Amit Sahai 等人首次提出 iO 的候選版本，后來其他研究者找出了對(duì)其安全性進(jìn)行攻擊的方法。「誰(shuí)將贏得勝利， the makers or the breakers？」
加州大學(xué)伯克利分校西蒙斯計(jì)算理論研究所負(fù)責(zé)人 Shafi Goldwasser 表示：「當(dāng)時(shí)很多人對(duì)此很狂熱，他們相信 iO 的存在，并堅(jiān)持研究。但后來這些人越來越少了。」
而近期，Aayush Jain 與華盛頓大學(xué)副教授 Huijia Lin、Jain 的導(dǎo)師 Amit Sahai 合作的一項(xiàng)研究為 maker 站臺(tái)。這篇于 8 月 18 日線上發(fā)布的論文首次展示了，如何僅使用「標(biāo)準(zhǔn)」安全假設(shè)來構(gòu)建 iO。
論文鏈接：https://eprint.iacr.org/2020/1003.pdf
加州大學(xué)伯克利分校博士生、論文一作 Aayush Jain
所有的加密協(xié)議都依賴于一些假設(shè)，譬如著名的 RSA 算法基于一條被普遍認(rèn)同的觀點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)無法對(duì)兩個(gè)大素?cái)?shù)的乘積進(jìn)行因式分解。加密協(xié)議的安全性和其假設(shè)有關(guān)，之前的 iO 基于未經(jīng)測(cè)試、最終被證明不可靠的假設(shè)。而最新的協(xié)議依賴于經(jīng)過廣泛使用和研究的安全假設(shè)。
盡管這一協(xié)議距離現(xiàn)實(shí)部署還很遙遠(yuǎn)，但它從理論角度提供了一種即時(shí)構(gòu)建多個(gè)加密工具的方式，而這在之前是不可能的。例如，它允許創(chuàng)建「可否認(rèn)」加密和「函數(shù)」加密。
以色列理工學(xué)院教授 Yuval Ishai 表示：「現(xiàn)在應(yīng)該不會(huì)有人懷疑 iO 的存在了。」
iO：密碼學(xué)「皇冠上的明珠」
數(shù)十年來，計(jì)算機(jī)科學(xué)家一直在思考是否存在安全、全面的方式來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)程序混淆，使人們能夠在不了解其內(nèi)部秘密的情況下使用它們。程序混淆可以支持大量實(shí)際應(yīng)用，如使用混淆程序在銀行或電子郵件賬戶中向他人委派任務(wù)，而無需擔(dān)心別人濫用該程序或讀取你的賬戶密碼。
但截至目前，所有構(gòu)建現(xiàn)實(shí)混淆器的嘗試都失敗了。2001 年，理論層面也出現(xiàn)了壞消息：最強(qiáng)大的混淆形式「黑盒混淆」是難以實(shí)現(xiàn)的。（黑盒混淆即攻擊者無法了解程序內(nèi)部，只能看到程序的使用及其輸出。）Boaz Barak、Amit Sahai 以及其他五位研究者證明，一些程序自己揭示了內(nèi)部秘密，它們無法實(shí)現(xiàn)完全混淆。
不過，這些程序是專門創(chuàng)建來抵抗混淆的，與現(xiàn)實(shí)程序沒有太多相似之處。因此，計(jì)算機(jī)科學(xué)家希望存在另外一些混淆，它足夠弱因此是可行的，又足夠強(qiáng)能夠隱藏人們真正關(guān)心的秘密。證明黑盒混淆不可能實(shí)現(xiàn)的研究者在論文中提出了一個(gè)可能的替代方案：iO。
乍一看，iO 并不是特別有用的概念。它不要求隱藏程序的秘密，只要求程序足夠混淆，比如你有兩個(gè)可執(zhí)行相同任務(wù)的不同程序，你無法區(qū)分哪個(gè)是混淆版本，哪個(gè)是原版。
Aayush Jain 導(dǎo)師、UCLA 教授 Amit Sahai，也是 iO 候選版本的提出者之一。
但是，iO 實(shí)際上要強(qiáng)大得多。例如，假設(shè)你有一個(gè)程序，可以執(zhí)行一些與銀行賬戶相關(guān)的任務(wù)，但是它包含未加密密碼，因此易受攻擊。但是，只要有一個(gè)執(zhí)行同樣任務(wù)但能夠隱藏密碼的程序，不可區(qū)分混淆器就可以成功地 mask 密碼。
近年來，計(jì)算機(jī)科學(xué)家證明 iO 可以作為幾乎所有加密協(xié)議的基礎(chǔ)（除了黑盒混淆），包括經(jīng)典的加密任務(wù)（如公鑰加密）和新興任務(wù)（如全同態(tài)加密）。它還涵蓋無人知道如何構(gòu)建的加密協(xié)議，如可否認(rèn)加密和函數(shù)加密。
康奈爾大學(xué)教授 Rafael Pass 表示：「這是皇冠上的明珠。一旦實(shí)現(xiàn)，我們可以獲得一切。」
2013 年，Sanjam Garg、Amit Sahai 等人提出 iO 候選版本，將一個(gè)程序分割成多個(gè)「拼圖塊」，然后使用多重線性映射混淆單個(gè)「拼圖塊」。把所有拼圖塊拼在一起后，所有混淆互相抵消，程序運(yùn)轉(zhuǎn)如常，但是每個(gè)單獨(dú)的「拼圖塊」看起來是無意義的。當(dāng)時(shí)，這一研究結(jié)果被視為一大突破，并引發(fā)了后續(xù)大量相關(guān)論文。然而幾年后，其他研究者發(fā)現(xiàn)多重線性映射并不安全。之后又出現(xiàn)了其他 iO 候選版本，但也都被攻破。
當(dāng)時(shí)，很多人擔(dān)心 iO 可能只是個(gè)無法實(shí)現(xiàn)的奇跡。
少即是多
2016 年，Huijia Lin 開始研究能否通過簡(jiǎn)單地減少多項(xiàng)式計(jì)算，來解決多重線性映射的缺陷。多重線性映射本質(zhì)上是多項(xiàng)式計(jì)算的加密方式。Jain 表示：「這些映射類似于多項(xiàng)式計(jì)算器，并與包含變量值的 secret locker 相連接。」機(jī)器接受用戶輸入的多項(xiàng)式，用戶可以查看最終 locker，以了解隱藏值能否使多項(xiàng)式的值為 0。
為了確保該方案的安全性，用戶不應(yīng)了解有關(guān)其他 locker 的信息或者過程中生成的任何數(shù)字。Sahai 表示：「我們希望這是真的，」但是，在研究人員提出的所有候選多重線性映射中，打開最終 locker 的過程中總是泄露出本該隱藏的計(jì)算信息。
華盛頓大學(xué)副教授、該研究第二作者 Huijia Lin。
研究人員提出的的多重線性映射均存在安全漏洞，Lin 想知道是否有一種方法，不必計(jì)算那么多不同種類的多項(xiàng)式也能構(gòu)建 iO（因此更容易被安全地構(gòu)建）。
四年前，Lin 發(fā)現(xiàn)了僅使用某些類型的多重線性映射構(gòu)建 iO 的方法，這些映射計(jì)算「階數(shù)（degree）」為 30 或者更小的多項(xiàng)式（這意味著每個(gè)項(xiàng)是最多 30 個(gè)變量的乘積）。接下來的幾年中，Lin、Sahai 和其他研究者致力于如何將階數(shù)降得更低。直到能夠使用三階多重線性映射構(gòu)建 iO。
理論上，這似乎是一個(gè)巨大的進(jìn)步。但它仍存在一個(gè)問題：從安全的角度講，三階實(shí)際上與任意階多項(xiàng)式處理機(jī)器一樣差。
研究者了解如何安全構(gòu)建的唯一多重線性映射是二階或者更低階的多項(xiàng)式處理機(jī)器。Lin 與 Jain、Sahai 一道，試圖找出用二階多重線性映射構(gòu)建 iO 的方法，他們?cè)谶@個(gè)問題上掙扎了很久。
盡管探究過程充滿艱辛，但最終他們提出了一種新的想法：由于 iO 需要三階映射，而計(jì)算機(jī)科學(xué)家只能安全構(gòu)建二階映射，那么二者是否存在折中方案？比如 2.5 階映射？
研究者設(shè)想了一個(gè)系統(tǒng)，其中某些 locker 具備清晰的窗口，因此用戶能夠查看其中包含的值。這使得機(jī)器不需要保護(hù)太多的隱藏信息。為了在高階多重線性映射的能力與二階映射的安全性之間取得平衡，機(jī)器可以使用高于二階的多項(xiàng)式進(jìn)行計(jì)算，但是有一個(gè)限制：隱藏變量的多項(xiàng)式必須為二階。研究者稱他們?cè)噲D不隱藏太多信息，并證明能夠安全構(gòu)建這類混合 locker 系統(tǒng)。
要將這些功效較弱的多重線性映射轉(zhuǎn)換為 iO，還需要最后一個(gè)要素：一種新型的偽隨機(jī)數(shù)生成器。它可以將一串隨機(jī)位擴(kuò)展為更長(zhǎng)的字符串，并且仍具有隨機(jī)性。
該研究的最終成果是能夠避免多重線性映射安全弱點(diǎn)的 iO 協(xié)議。
該方案的安全性基于在在其他加密環(huán)境中被廣泛使用的四個(gè)數(shù)學(xué)假設(shè)，這些假設(shè)歷史悠久，研究時(shí)間最短的假設(shè)相關(guān)問題都可以追溯到 20 世紀(jì) 50 年代。
只可能有一種情況會(huì)打破該研究提出的新 iO 協(xié)議，那就是全功率量子計(jì)算機(jī)。四個(gè)假設(shè)之一易受量子攻擊，但最近的一些研究已經(jīng)提供了通往 iO 的另一種潛在途徑，保證它即使受到量子攻擊也是安全的，不過它所依賴的假設(shè)沒有那么堅(jiān)固。有研究者表示，在未來的研究中可以將兩種方法結(jié)合起來，創(chuàng)造出既基于標(biāo)準(zhǔn)安全假設(shè)又能抵擋量子攻擊的 iO 版本。
這可能會(huì)吸引新的研究人員加入。當(dāng)理論上存在可行性時(shí)，那么就會(huì)有更多人愿意加入研究團(tuán)隊(duì)。毫無疑問，在該協(xié)議（或其變體）用于實(shí)際應(yīng)用之前，計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域仍然有很多事要做。