Fonctions Pseudo-aléatoires Contraintes : nouvelles constructions et liens avec le calcul sécurisé

Constrained Pseudorandom Functions : New Constructions and Connections with Secure Computation

• Auteur / Autrice : Mahshid Riahinia
• Direction : Gilles Villard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 08/07/2024
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale InfoMaths (Lyon ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'informatique du parallélisme (Lyon ; 1988-....) - Arithmétiques des ordinateurs, méthodes formelles, génération de code
• Jury : Président / Présidente : Sébastien Canard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Villard, Sébastien Canard, David Pointcheval, Damien Vergnaud, Alain Passelègue, Lisa Kohl, Carla Ràfols
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Pointcheval, Damien Vergnaud
• DOI : 10.70675/116140dbza9a5z49d5zaa7ezfbd3f8f1cf51

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cryptographie à clé publique

Fonctions pseudo-aléatoires

Mots clés libres

Calcul sécurisé

Fonctions pseudo-aléatoires

Fonctions pseudo-aléatoires contraintes

Fonctions de corrélation pseudo-aléatoires

Partage de secrets homomorphes

Cryptographie à clé publique

Secure computation

Pseudorandom functions

Pseudorandom correlation functions

Constrained pseudorandom functions

Homomorphic secret sharing

Public-key cryptography

Résumé

Les fonctions pseudo-aléatoires (Pseudorandom Functions, alias PRFs) ont été introduites en 1986, par Goldreich, Goldwasser et Micali, comme moyen efficace de générer de l’aléa et servent depuis d’outils essentiels en cryptographie. Ces fonctions utilisent une clé secrète principale pour faire correspondre différentes entrées à des sorties pseudo-aléatoires. Les fonctions pseudo-aléatoires contraintes (Constrained Pseudorandom Functions, alias CPRFs), introduites en 2013, étendent les PRFs enautorisant la délégation des clés contraintes qui permettent l’évaluation de la fonction uniquement sur des sous-ensembles spécifiques d’entrées. Notamment, même avec cette évaluation partielle, la sortie d’une CPRF devrait rester pseudo-aléatoire sur les entrées en dehors de ces sous-ensembles. Dans cette thèse, nous établissons des liens entre les CPRFs et deux autres outils cryptographiques qui ont été introduits dans le contexte du calcul sécurisé : 1. Nous montrons comment les CPRFs peuvent être construites à partir de protocoles de partage de secrets homomorphes (Homomorphic Secret Sharing, alias HSS). Les protocoles de partage de secrets homomorphes permettent des calculs distribués sur des parties d’un secret. Nous commençons par identier deux nouvelles versions des protocoles HSS et montrons comment elles peuvent être transformées en CPRFs générant des clés contraintes pour des sous-ensembles d’entrées qui peuvent être exprimés via des prédicats de produit scalaire ou de NC1. Ensuite, nous observons que les constructions de protocoles HSS qui existent déjà dans la littérature peuvent être adaptées à ces nouvelles extensions. Cela conduit à la découverte de cinq nouvelles constructions CPRF basées sur diverses hypothèses de sécurité standardes. 2. Nous montrons comment les CPRFs peuvent être utilisées pour construire des fonctions de corrélation pseudo-aléatoires (Pseudorandom Correlation Functions, alias PCFs) pour les corrélations de transfert inconscient (Oblivious Transfer, alias OT). Les PCFs pour les corrélations OT permettent à deux parties de générer des paires corrélées OT qui peuvent être utilisées dans des protocoles de calcul sécurisés rapides. Ensuite, nous détaillons l’instanciation de notre transformation en appliquant une légère modification à la construction PRF bien connue de Naor et Reingold. Enfin, nous présentons une méthode de génération non-interactive de clés d’évaluation pour cette dernière instanciation, qui permet d’obtenir une PCF à clé publique efficace pour les corrélations OT à partir d’hypothèses standardes.

Pseudorandom functions (PRFs) were introduced in 1986 by Goldreich, Goldwasser, and Micali as efficient means of generating randomness and serve as essential tools in cryptography. These functions use a master secret key to map different inputs to pseudorandom outputs. Constrained pseudorandom functions (CPRFs), introduced in 2013, extend PRFs by additionally allowing the delegation of constrained keys that enable the evaluation of the function only on specific subsets of inputs. Notably, given a constrained key that evaluates the function on a subset of inputs, the output of a CPRF should remain pseudorandom on inputs outside of this subset. In this thesis, we establish links between CPRFs and two other cryptographic tools which were introduced in the context of secure computation: 1. We show how CPRFs can be constructed from homomorphic secret sharing (HSS) protocols. Homomorphic secret sharing protocols allow distributed computations over shares of a secret. We start by identifying two extensions of HSS protocols and show how they can be transformed into CPRFs generating constrained keys for subset of inputs that can be expressed via inner-product and NC1 predicates. Next, we observe that HSS protocols that already exist in the literature can be adapted to these new extensions. This leads to the discovery of five new CPRF constructions based on various standard hardness assumptions. 2.We show how CPRFs can be used to construct pseudorandom correlation functions (PCFs) for oblivious transfer (OT) correlations. PCFs for OT correlations enable two parties to generate OT-correlated pairs that can be used in fast secure computation protocols. Next, we instantiate our transformation by applying a slight modification to the well-known PRF construction of Naor and Reingold. We finally present a method for the non-interactive generation of evaluation keys for the latter instantiation which results in an efficient public-key PCF for OT correlations from standard assumptions.