NTTRU:兼容 NTT 算法的 NTRU

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NTTRU:兼容 NTT 算法的 NTRU

NTTRU:兼容 NTT 算法的 NTRU

参考文献:

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  17. NTRU 加密方案
  18. FFT/NTT:以 CRT 的视角
  19. Multi-precision Montgomery
  20. PKE 安全性的提升方式:Naor-Yung、Fischlin、Fujisaki-Okamoto

文章目录

  • NTRU Using NTT
    • Background
    • Factorization of Cyclotomic Ring
    • OW-CPA NTRU
    • Decryption Error and Message Space
    • IND-CCA2 KEM
  • AVX2 optimized Implementation
    • NTT with Montgomery
    • NTT Vectorization
    • Base Rings
    • Binomial Sampling
    • Symmetric Primitives
    • Vectorized Packing

NTRU Using NTT

Background

[LS19] 给出了支持 NTT 的 NTRU 变体。他们给出了 AVX2 优化的算法实现,计算效率比 NIST-PQC 所接受的 NTRU 方案要高得多(Gen: 8X, Encap: 5X, Decap: 8X),并且也比其他的 KEM 方案明显更快。

[ACD+18] 使用 [APS15] 的 LWE estimator,评估了提交给 NIST-PQC 的所有 LWE-based、NTRU-based 的 PKE、KEM、Sign 的安全性。对于 128 比特的安全性,环的维度应当介于 700 到 800 之间。然而,radix-2 NTT 仅能处理维度是二的幂次的分圆环,这导致了安全级别的跳跃。NTRU-HRSS 采用了 701 维度的环,NTRU-Prime 采用了 761 维度的环,两者都无法兼容 NTT 算法。而基于 RLWE 的那些方案,可以采取 [BGV12] 的 Generalized LWE 假设将它划分为 3 个维度 256 的小环,从而可以使用 radix-2 NTT 算法。

NTRU-based 相较于 RLWE-based 的优势,

  1. 公钥:
    • RLWE 的公钥形如 ( a , b = a s + e ) ∈ R q 2 (a,b=as+e) in R_q^2 (a,b=as+e)∈Rq2​,包含两个环元素
    • NTRU 的公钥形如 h = p ⋅ g / f ∈ R q h=pcdot g/f in R_q h=p⋅g/f∈Rq​,规模更小
    • 假如 RLWE 采取 XOF + seed 的策略,需要付出额外的计算开销(一般而言,XOF/SHAKE 的速度比 NTT 慢得多)
  2. 密文:
    • RLWE 的密文形如 ( c 0 = a ⋅ r + e 0 , c 1 = b ⋅ r + e 1 + E C C ( m ) ) ∈ R q 2 (c_0=acdot r+e_0,c_1=bcdot r+e_1+ECC(m)) in R_q^2 (c0​=a⋅r+e0​,c1​=b⋅r+e1​+ECC(m))∈Rq2​,包含两个环元素
    • NTRU 的密文形如 c = h ⋅ r + m ∈ R q c=h cdot r+m in R_q c=h⋅r+m∈Rq​,规模更小
    • 假如 RLWE 采取 Compress 技术,实际上密文规模甚至会略小于 NTRU 的,当然这也需要付出不菲的计算开销。不过假如需要给出 “密文是正确形式” 的 ZKP(用途:MPC、可验证加密、群签名),那么 NTRU 密文的 proof 会小得多
  3. 采样:
    • RLWE 公钥中的 a ∈ R q a in R_q a∈Rq​ 需要在环 Z q mathbb Z_q Zq​ 上均匀采样,然而 radix-2 NTT 限制了 q q q 不是二的幂次,因此需要拒绝采样保证均匀性
    • NTRU 公钥中的 h ∈ R q h in R_q h∈Rq​ 的均匀性,来自于两个小多项式的商 g / f g/f g/f,因此对 q q q 没有上述限制

NTRU-based 的缺点:在某些应用中(FHE、可验证加密、群签名)需要模数和噪声规模之间的 gap 足够大。但是 [ABD16] 指出,对于 “过度拉伸”(overstretched)的 NTRU 问题,子域攻击(subfield attack)相当的奏效。并且 NTRU 假设总是比 (R/M)LWE 假设更强(或者采取 [SS11] 的可证明安全变体),并且不同的安全级别下的 NTT 实现无法复用。

所以 NTRU 的参数应当仔细考虑,先要保证方案的安全性,考虑效率才有意义。

Factorization of Cyclotomic Ring

我们考虑 m = 2 k 3 l , k , l ≥ 1 m=2^k3^l,,, k,lge 1 m=2k3l,k,l≥1 的特殊分圆多项式环,维度 n = ϕ ( m ) = 2 k 3 l − 1 = m / 3 n=phi(m)=2^k3^{l-1}=m/3 n=ϕ(m)=2k3l−1=m/3,此时的分圆多项式形如:
Φ m ( x ) = x n − x n / 2 + 1 Phi_m(x) = x^{n} - x^{n/2} + 1 Φm​(x)=xn−xn/2+1
我们考虑 X 2 − X + 1 X^2-X+1 X2−X+1 在代数闭包上的分解 ( X − α 0 ) ⋅ ( X − α 1 ) (X-alpha_0)cdot(X-alpha_1) (X−α0​)⋅(X−α1​),这要求 α 0 + α 1 = 1 alpha_0+alpha_1=1 α0​+α1​=1 以及 α 0 α 1 = 1 alpha_0alpha_1=1 α0​α1​=1,我们设置 α 0 = ζ 6 alpha_0=zeta_6 α0​=ζ6​, α 1 = 1 − ζ 6 = ζ 6 5 alpha_1=1-zeta_6=zeta_6^5 α1​=1−ζ6​=ζ65​,它们都是 6 6 6 次本原单位根。

只要工作域 F mathbb F F 上存在 ζ 6 zeta_6 ζ6​,那么就有如下的环同构:
F [ x ] / ( Φ m ( x ) ) ≅ F [ x ] / ( x n / 2 − ζ 6 ) × F [ x ] / ( x n / 2 − ζ 6 5 ) mathbb F[x]/(Phi_m(x)) cong mathbb F[x]/(x^{n/2}-zeta_6) timesmathbb F[x]/(x^{n/2}-zeta_6^5) F[x]/(Φm​(x))≅F[x]/(xn/2−ζ6​)×F[x]/(xn/2−ζ65​)
给定 f ( x ) = ∑ i f i x i ∈ F [ x ] / ( Φ m ( x ) ) f(x)=sum_i f_i x^i in mathbb F[x]/(Phi_m(x)) f(x)=∑i​fi​xi∈F[x]/(Φm​(x)),具体的映射为:
f 0 ( x ) = ∑ i = 0 m / p − 1 ( f i + ζ 6 ⋅ f i + n / 2 ) ⋅ x i f 1 ( x ) = ∑ i = 0 m / p − 1 ( f i + f i + n / 2 − ζ 6 ⋅ f i + n / 2 ) ⋅ x i begin{aligned} f_0(x) &= sum_{i=0}^{m/p-1} left(f_{i} + zeta_6cdot f_{i+n/2}right) cdot x^i\ f_1(x) &= sum_{i=0}^{m/p-1} left(f_{i} + f_{i+n/2}- zeta_6cdot f_{i+n/2}right) cdot x^i\ end{aligned} f0​(x)f1​(x)​=i=0∑m/p−1​(fi​+ζ6​⋅fi+n/2​)⋅xi=i=0∑m/p−1​(fi​+fi+n/2​−ζ6​⋅fi+n/2​)⋅xi​
这个蝴蝶的开销是:一次数乘、两次加法、一次减法,基本上和 CT 蝴蝶(一次数乘、一次加法、一次减法)的效率一样。接下来,分别对两个小的卷积环执行 FFT/NTT 即可。

[LS19] 选取的参数:

  • 分园整数环 F [ X ] / ( X 768 − X 384 + 1 ) mathbb F[X]/(X^{768}-X^{384}+1) F[X]/(X768−X384+1),对应的次数 m = 2 8 × 3 2 = 2304 m=2^8times3^2=2304 m=28×32=2304,维度 n = m / 3 = 768 n=m/3=768 n=m/3=768
  • 素域 F = Z 7681 mathbb F=mathbb Z_{7681} F=Z7681​,对应的素数 q = 1 + 2 9 × 3 × 5 q=1+2^9times 3times 5 q=1+29×3×5,它含有 ζ 6 zeta_{6} ζ6​ 和 ζ 768 ∈ { ζ 6 1 / 128 } zeta_{768} in {zeta_6^{1/128}} ζ768​∈{ζ61/128​}
  • 特别地 7681 = 2 13 − 2 9 + 1 7681=2^{13}-2^9+1 7681=213−29+1,导致存在高效的专用模约简算法(相比通用的 Barrett 算法还要更快一点)

因此,有以下的环同构:
Z 7681 [ X ] / ( X 768 − X 384 + 1 ) ≅ Z 7681 [ X ] / ( X 384 − ζ 6 ) × Z 7681 [ X ] / ( X 384 − ζ 6 5 ) Z 7681 [ X ] / ( X 384 − ζ 6 ) ≅ ∏ j = 0 128 Z 7681 [ X ] / ( X 3 − ζ 768 1 + j ⋅ 6 ) Z 7681 [ X ] / ( X 384 − ζ 6 5 ) ≅ ∏ j = 0 128 Z 7681 [ X ] / ( X 3 − ζ 768 5 + j ⋅ 6 ) begin{aligned} mathbb Z_{7681}[X]/(X^{768}-X^{384}+1) &cong mathbb Z_{7681}[X]/(X^{384}-zeta_6) times Z_{7681}[X]/(X^{384}-zeta_6^5)\ mathbb Z_{7681}[X]/(X^{384}-zeta_6) &cong prod_{j=0}^{128} mathbb Z_{7681}[X]/(X^{3}-zeta_{768}^{1+jcdot6})\ mathbb Z_{7681}[X]/(X^{384}-zeta_6^5) &cong prod_{j=0}^{128} mathbb Z_{7681}[X]/(X^{3}-zeta_{768}^{5+jcdot6})\ end{aligned} Z7681​[X]/(X768−X384+1)Z7681​[X]/(X384−ζ6​)Z7681​[X]/(X384−ζ65​)​≅Z7681​[X]/(X384−ζ6​)×Z7681​[X]/(X384−ζ65​)≅j=0∏128​Z7681​[X]/(X3−ζ7681+j⋅6​)≅j=0∏128​Z7681​[X]/(X3−ζ7685+j⋅6​)​
第一个同构花费 1 1 1 层蝴蝶,其开销接近于 CT 蝴蝶。另外两个同构花费 7 7 7 层蝴蝶,每一层的都是 CT 蝴蝶。共计 8 8 8 层迭代,由于 Z 7681 mathbb Z_{7681} Z7681​ 中不存在 ζ 2304 zeta_{2304} ζ2304​,所以最终的 deg ⁡ = 3 deg=3 deg=3 的那些 Base Rings 无法继续分解。

InvNTT 可以直接复用 NTT,不过要注意 “比特串翻转” 导致的系数置换。或者采取 GS 蝴蝶,那就不必考虑这些置换,效率可能会更高一些。

OW-CPA NTRU

定义 modular binomial distribution 简记为 β k beta_k βk​,它的生成过程是:

  1. 均匀采样 a 1 , ⋯ , a k , b 1 , ⋯ , b k ← { 0 , 1 } a_1,cdots,a_k,,, b_1,cdots,b_k gets {0,1} a1​,⋯,ak​,b1​,⋯,bk​←{0,1}
  2. 输出 ∑ i a i − ∑ j b j ( m o d ± 3 ) sum_i a_i - sum_j b_j pmod{^pm3} ∑i​ai​−∑j​bj​(mod±3)

[LS19] 采取了 β 2 beta_2 β2​ 分布,本当 [ 1 , 4 , 6 , 4 , 1 ] [1,4,6,4,1] [1,4,6,4,1],模掉 3 3 3 之后,
Pr ⁡ [ − 1 ] = Pr ⁡ [ 1 ] = 5 16 , Pr ⁡ [ 0 ] = 6 16 Pr[-1] = Pr[1] = dfrac{5}{16},,, Pr[0] = dfrac{6}{16} Pr[−1]=Pr[1]=165​,Pr[0]=166​
如果存在 “随机性恢复”(randomness-recovering)算法 r ← R e c ( m , c , p k ) r gets Rec(m,c,pk) r←Rec(m,c,pk),使得 c = E n c ( p k , m ; r ) c=Enc(pk,m;r) c=Enc(pk,m;r),我们称这个 PKE 方案是消息可验证的(message-verifiable)

简单采用 [HPS98] [HS00] 所描述的 NTRU 方案,只不过代数结构从:卷积环 Z [ X ] / ( X N − 1 ) mathbb Z[X]/(X^N-1) Z[X]/(XN−1),其中的 N N N 是素数(无法使用 FFT/NTT),替换为了:分圆环 Z [ X ] / ( Φ 2304 ( X ) ) mathbb Z[X]/(Phi_{2304}(X)) Z[X]/(Φ2304​(X)),从而支持 FFT/NTT 算法。

我们额外要求 NTRU 方案的随机性恢复性质:这将使得 IND-CCA2 的归约更加紧致(仅用于此)。由于 c = h r + m c=hr+m c=hr+m,因此有
R e c ( m , c , h ) : = ( c − m ) ⋅ h − 1 ∈ R q Rec(m,c,h) := (c-m) cdot h^{-1} in R_q Rec(m,c,h):=(c−m)⋅h−1∈Rq​
这要求公钥 h = 3 g / f h=3g/f h=3g/f 也是可逆的。可逆性检查,就是要求 NTT 域的全部系数都是可逆的(非零)。因为 h h h 是均匀的,所以 256 256 256 个 Z q 3 mathbb Z_q^3 Zq3​ 上系数当中存在零的概率仅为 Pr ⁡ ≤ 1 − 256 / q 3 ≈ 1 − 2 − 30 Pr le 1-256/q^3 approx 1-2^{-30} Pr≤1−256/q3≈1−2−30,我们完全可以在 PKE 中忽略这个检查,并不对 PKE 方案有实质影响。

Decryption Error and Message Space

OW-CPA PKE 的消息空间、随机带空间:
M = R = { f ∈ { − 1 , 0 , 1 } 768 } ⊆ Z [ X ] / ( Φ 2304 ( X ) ) M=R={f in {-1,0,1}^{768}} subseteq mathbb Z[X]/(Phi_{2304}(X)) M=R={f∈{−1,0,1}768}⊆Z[X]/(Φ2304​(X))
它们的分布记为 D M , D R D_M, D_R DM​,DR​,解密失败率:
Pr ⁡ ( s k , p k ) ← G e n , m ← D M , r ← D R [ D e c ( s k , E n c ( p k , m ; r ) ) ≠ m ] = ϵ underset{(sk,pk)gets Gen, mgets D_M, rgets D_R}{Pr}[Dec(sk, Enc(pk,m;r)) neq m] = epsilon (sk,pk)←Gen,m←DM​,r←DR​Pr​[Dec(sk,Enc(pk,m;r))=m]=ϵ
由于仅当 f c = 3 ( g r + f ′ m ) + m fc=3(gr+f'm)+m fc=3(gr+f′m)+m 的绝对值越过了 q / 2 q/2 q/2,此时 Z q mathbb Z_q Zq​ 无法正确模拟 Z mathbb Z Z,出现解密错误。NIST-POC 接受的 NTRU-HRSS 和 NTRU-Prime,在它们的参数设置下,没有解密错误。[LS19] 分析了 g , r , f ′ , m g,r,f',m g,r,f′,m 全都服从 β 2 beta_2 β2​ 时的解密失败率:在上述 NTTRU 的参数下,错误率为 ϵ ≈ 2 − 1230 epsilon approx 2^{-1230} ϵ≈2−1230

但是明文空间的规模 ∣ M ∣ = 3 768 |M|=3^{768} ∣M∣=3768 过于巨大。对于随机选取的 ( s k , p k ) (sk,pk) (sk,pk),存在某消息出现解密失败的概率 Pr ⁡ ≤ ϵ ⋅ ∣ M ∣ ≈ 2 − 13 Pr le epsilon cdot|M|approx 2^{-13} Pr≤ϵ⋅∣M∣≈2−13 相当的大,这可能会导致有效的解密失败攻击(decryption-error attacks)

[LS19] 提出一种转换方法,把消息空间约简到 M ′ = { 0 , 1 } 256 M'={0,1}^{256} M′={0,1}256,使得 ϵ ⋅ ∣ M ∣ ≪ 2 − 128 epsilon cdot|M| ll 2^{-128} ϵ⋅∣M∣≪2−128,从而足够抵御上述攻击,达到 128 比特安全性。

代价是额外的 XOF 和 Hash 的计算,以及密文规模扩大了 256 256 256 比特(对称密文 u = E ( m ′ ) u=E(m') u=E(m′) 部分)。可以证明,如果存在敌手访问 μ mu μ 次 H D M H_{D_M} HDM​​ 之后以优势 δ delta δ 打破 C P A ′ CPA' CPA′ 的安全性,那么就存在另一个敌手以优势 δ − ( μ + 1 ) / ∣ M ′ ∣ delta-(mu+1)/|M'| δ−(μ+1)/∣M′∣ 打破 C P A CPA CPA 的安全性,
OW-CPA big  ≤ OW-CPA small  text{ OW-CPA big }letext{ OW-CPA small }  OW-CPA big ≤ OW-CPA small 

IND-CCA2 KEM

采用 [FO13] [Den02] 的标准提升技术,可以将上述的 OW-CPA PKE 方案,转化为 IND-CCA2 KEM 方案。

归约流程是,

  1. 将 OW-CPA “usual” scheme 归约到 OW-CPA “message-verifiable” scheme。如果存在敌手以优势 δ delta δ 打破后者,那么就存在另一个敌手以优势 δ delta δ 打破前者。这里用到了算法 R e c ( ⋅ ) Rec(cdot) Rec(⋅) 检验消息,使得归约没有损失。
  2. 将 OW-CPA “message-verifiable” scheme 归约到 IND-CCA2 KEM。如果存在敌手以优势 δ delta δ 打破后者,那么就存在另一个敌手以优势 f ( δ ) − ϵ ⋅ ∣ M ∣ f(delta)-epsilon cdot |M| f(δ)−ϵ⋅∣M∣ 打破前者,其中的 f f f 是线性依赖于 RO 查询次数的损失函数。

归约链:
OW-CPA usual  ≤ OW-CPA message-verifiable  ≤ IND-CCA2 KEM text{ OW-CPA usual }letext{ OW-CPA message-verifiable }letext{ IND-CCA2 KEM}  OW-CPA usual ≤ OW-CPA message-verifiable ≤ IND-CCA2 KEM

AVX2 optimized Implementation

NTT with Montgomery

Hensel remainder:给定模数 q ∈ Z + q in mathbb Z^+ q∈Z+ 和字大小 β ∈ Z + beta in mathbb Z^+ β∈Z+,满足 gcd ⁡ ( q , β ) = 1 gcd(q,beta)=1 gcd(q,β)=1 以及 q < β / 2 q<beta/2 q<β/2。任意的整数 a ∈ Z a in mathbb Z a∈Z,可以表示为 a = m q + r β a=mq+rbeta a=mq+rβ,如果限制 m ∈ [ − β / 2 , β / 2 ) m in [-beta/2, beta/2) m∈[−β/2,β/2),那么 r r r 是唯一的。

Montgomery reduction algorithm,记为 M o n t ( a , b ) = a b β − 1 ( m o d q ) Mont(a,b) = abbeta^{-1}pmod q Mont(a,b)=abβ−1(modq),

  1. 输入 a , b ∈ [ − β / 2 , β / 2 ) a,b in [-beta/2,beta/2) a,b∈[−β/2,β/2)
  2. 计算 t : = a ⋅ b ∈ Z t:=acdot b in mathbb Z t:=a⋅b∈Z,它需要 O ( β 2 ) O(beta^2) O(β2) 的存储
  3. 计算 u : = ( t + ( t ⋅ q ′ ( m o d β ) ) ⋅ q ) / β u:=(t+(tcdot q' pmod{beta})cdot q)/beta u:=(t+(t⋅q′(modβ))⋅q)/β,其中 q ′ : = − q − 1 ( m o d β ) q':=-q^{-1}pmodbeta q′:=−q−1(modβ) 是常数
  4. 输出 u ∈ [ 0 , 2 q ) u in [0,2q) u∈[0,2q),它满足 u ≡ ( a ⋅ b ) ⋅ β − 1 ( m o d q ) uequiv(acdot b)cdot beta^{-1}pmod q u≡(a⋅b)⋅β−1(modq)

它的约简结果是无符号数。我们选取 β = 2 16 beta=2^{16} β=216(计算机的半精度),它大于 q = 7681 q=7681 q=7681 的两倍,并且和它互素。同时,step 3 中的关于 β beta β 的取模、除法,被简化为了 AND、Shift

AVX2 提供了半精度乘法运算符,给定两个 16 16 16 比特整数 a , b a,b a,b(半精度数),乘积是单精度数(一个字 32 32 32 比特)

  • m u l h i ( a , b ) = a b ≫ 16 mulhi(a,b) = abgg16 mulhi(a,b)=ab≫16,带符号乘法的高半字,这里是算术右移(高位填充符号位,逻辑右移填充的是零)
  • m u l l o ( a , b ) = a b ( m o d 2 16 ) mullo(a,b) = abpmod{2^{16}} mullo(a,b)=ab(mod216),(无符号/带符号)乘法的低半字(补码表示下的两者相同)

若令 q ′ : = q − 1 ( m o d β ) q':=q^{-1} pmod beta q′:=q−1(modβ)(约简结果是带符号的),此时 t t t 和 ( t ⋅ q ′ ( m o d β ) ) ⋅ q (tcdot q' pmod{beta})cdot q (t⋅q′(modβ))⋅q 的低半字完全相同,从而只需要计算高位的减法。注意,对于 q ′ : = − q − 1 ( m o d β ) q':=-q^{-1} pmod beta q′:=−q−1(modβ) 不可以这么优化,因为低半字的加法会导致进位,因此高半字的加和不一定正确。因此, M o n t ( a , b ) Mont(a,b) Mont(a,b) 可以优化为:

  1. 计算 t 1 : = m u l h i ( a , b ) t_1:=mulhi(a,b) t1​:=mulhi(a,b),原始 t t t 的上半字
  2. 计算 t 2 : = m u l l o ( a , b ) t_2:=mullo(a,b) t2​:=mullo(a,b),原始 t t t 的下半字
  3. 计算 t 2 ′ : = m u l l o ( t 2 , q ′ ) t_2':=mullo(t_2,q') t2′​:=mullo(t2​,q′),此处得到了 t ⋅ q − 1 ( m o d β ) tcdot q^{-1} pmod{beta} t⋅q−1(modβ)
  4. 计算 u : = t 1 − m u l h i ( t 2 ′ , q ) u:= t_1-mulhi(t_2',q) u:=t1​−mulhi(t2′​,q),两者的上半字相减

这导致了更加稠密的 AVX2 向量化(相较于单精度存储),并且节约了一些运算。

现在我们将这个模乘算法,整合到 NTT 算法中,

  1. 由于 NTT 蝴蝶中的全部乘法,都是本原根(常数 ζ zeta ζ)和系数(变量 f f f)的乘法,因此可以预计算如下的常数:
    ζ ′ = ζ ⋅ β ( m o d q ) zeta'=zeta cdot beta pmod q ζ′=ζ⋅β(modq)
    那么 M o n t ( f , ζ ′ ) = f ⋅ ζ ( m o d q ) Mont(f,zeta') = f cdot zeta pmod q Mont(f,ζ′)=f⋅ζ(modq),这正是我们预期的模乘结果。

  2. [Sei18] 给出的另一个重要的优化是,继续再预计算如下的常数:
    ζ ′ ′ = ζ ′ ⋅ q − 1 ( m o d β ) zeta''=zeta'cdot q^{-1} pmod beta ζ′′=ζ′⋅q−1(modβ)
    常数特化的 M o n t c o n s t ( f , ζ ′ , ζ ′ ′ ) Mont_{const}(f,zeta',zeta'') Montconst​(f,ζ′,ζ′′) 算法步骤为,

    1. 计算 t 1 : = m u l h i ( f , ζ ′ ) t_1:=mulhi(f,zeta') t1​:=mulhi(f,ζ′),半精度数
    2. 计算 t 2 : = m u l l o ( f , ζ ′ ′ ) t_2:=mullo(f,zeta'') t2​:=mullo(f,ζ′′),半精度数
    3. 计算 u : = t 1 − m u l h i ( t 2 , q ) u:= t_1-mulhi(t_2,q) u:=t1​−mulhi(t2​,q),半精度数
  3. 利用预计算的 ζ ′ , ζ ′ ′ zeta',zeta'' ζ′,ζ′′,以及 M o n t c o n s t ( f , ζ ′ , ζ ′ ′ ) Mont_{const}(f,zeta',zeta'') Montconst​(f,ζ′,ζ′′),可以计算出正确的 NTT/InvNTT 结果。

对于蝴蝶中的模加运算,可以采取一般性的 Barrett 算法(需要一些乘法)。不过鉴于 q = 7681 q=7681 q=7681 的稀疏比特串表示,[Seil18] 给出了专用的模约减算法(不需要乘法),

NTT Vectorization

对于某一层的蝴蝶(包含若干个多项式,各自分解为长度一半的小多项式),[LS19] 采取了如下的系数打包

  1. 如果这些多项式长度是 32 32 32 的倍数(上/下阙的长度是 16 16 16 的倍数),那么将多项式的每连续 16 16 16 个半精度系数,拉取到单个 AVX256 寄存器中
  2. 如果这些多项式长度小于等于 16 16 16,就需要利用 shuffle 指令,将多个多项式的上/下阙交错在单个 AVX256 寄存器中

由于 m u l l o , m u l h i mullo, mulhi mullo,mulhi 的计算延迟是 5 5 5-cycles, a d d , s u b add, sub add,sub 的计算延迟是 1 1 1-cycle,从而优化版本的 Montgomery 的延迟是 11 11 11-cycles。为了提高利用率(乱序执行的效果不一定好),[LS19] 手动安排了 6 6 6 个 AVX256 寄存器(加载了 96 96 96 个半精度系数),它们的蝴蝶运算中的乘法是相互独立的,可以填满 CPU 流水线。

为了减少 Load 和 Store 操作(现代处理器的存储墙),[LS19] 采取了层融合技术:长度 768 768 768 的多项式迭代 3 3 3 层分解为 8 8 8 个长度 96 96 96 的多项式。对于每个长度 96 96 96 的多项式(打包在 6 6 6 个 AVX256 寄存器内),持续执行 5 5 5 层 radix-2 NTT(而非只分解一层,store 结果,再 load 下一个多项式),得到 32 32 32 个长度 3 3 3 的最终的分解结果。然后再移动到下一个多项式。

Base Rings

现在我们考虑 Base Ring 上的运算,卷积环 Z q [ X ] / ( X 3 − ζ ) mathbb Z_q[X]/(X^3-zeta) Zq​[X]/(X3−ζ)

两个元素 f = ∑ i f i , g = ∑ j g j f=sum_i f_i,,, g=sum_j g_j f=∑i​fi​,g=∑j​gj​ 的乘积 h = f g h=fg h=fg,写成矩阵形式:
h = f ⋅ g = f ⋅ g 0 + f x ⋅ g 1 + f x 2 ⋅ g 2 = [ f 0 ζ f 2 ζ f 1 f 1 f 0 ζ f 2 f 2 f 1 f 0 ] ⋅ [ g 0 g 1 g 2 ] = [ h 0 h 1 h 2 ] begin{aligned} h = f cdot g &= fcdot g_0 + fxcdot g_1 + fx^2cdot g_2\ &= begin{bmatrix} f_0 & zeta f_2 & zeta f_1\ f_1 & f_0 & zeta f_2\ f_2 & f_1 & f_0\ end{bmatrix} cdot begin{bmatrix} g_0\g_1\g_2 end{bmatrix} = begin{bmatrix} h_0\h_1\h_2 end{bmatrix} end{aligned} h=f⋅g​=f⋅g0​+fx⋅g1​+fx2⋅g2​= ​f0​f1​f2​​ζf2​f0​f1​​ζf1​ζf2​f0​​ ​⋅ ​g0​g1​g2​​ ​= ​h0​h1​h2​​ ​​
使用 Montgomery 算法来计算模乘,

  1. 本原根 ζ zeta ζ 是常数,被预计算为 ζ ′ = ζ ⋅ β ( m o d q ) zeta'=zeta cdot beta pmod q ζ′=ζ⋅β(modq),那么 M o n t c o n s t ( f , ζ ′ , ζ ′ ′ ) = f ⋅ ζ Mont_{const}(f, zeta',zeta'') = f cdot zeta Montconst​(f,ζ′,ζ′′)=f⋅ζ 的结果是预期的
  2. 每一个系数 f i f_i fi​ 都要和各个 g j g_j gj​ 模乘,因此可以先计算每一个 f i ′ = f i ⋅ q ′ ( m o d β ) f_i'=f_icdot q' pmod beta fi′​=fi​⋅q′(modβ),在 M o n t ( f i , g j ) Mont(f_i,g_j) Mont(fi​,gj​) 中复用(其实就是计算 M o n t c o n s t ( g j , f i , f i ′ ) Mont_{const}(g_j,f_i,f_i') Montconst​(gj​,fi​,fi′​))
  3. 模乘 M o n t ( f i , g j ) Mont(f_i,g_j) Mont(fi​,gj​) 的结果是 f i g j ⋅ β − 1 ( m o d q ) f_ig_jcdot beta^{-1} pmod q fi​gj​⋅β−1(modq),而非预期的 f i g j f_ig_j fi​gj​,因此需要追踪记录这个因子 β − 1 ( m o d q ) beta^{-1} pmod q β−1(modq) 的变化。在 InvNTT 结束时,和本来的因子 1 / 256 ( m o d q ) 1/256 pmod q 1/256(modq) 合并,通过 M o n t Mont Mont 消除它们。

而对于除法 h = g / f h=g/f h=g/f,需要对 Rotation Matrix 求逆:先计算伴随矩阵,然后除以行列式。易知这个逆阵(如果存在的话)也是 Rotation Matrix,

  1. 计算伴随矩阵:简单地计算第一列的余子式
    f 0 ′ = f 0 2 − ζ f 1 f 2 f 1 ′ = ζ f 2 2 − f 0 f 1 f 2 ′ = f 1 2 − f 0 f 2 begin{aligned} f_0' &= f_0^2 - zeta f_1f_2\ f_1' &= zeta f_2^2 - f_0f_1\ f_2' &= f_1^2 - f_0f_2 end{aligned} f0′​f1′​f2′​​=f02​−ζf1​f2​=ζf22​−f0​f1​=f12​−f0​f2​​
    伴随矩阵 f ∗ = f 0 ′ + f 1 ′ X + f 2 ′ X 2 f^*=f_0'+f_1'X+f_2'X^2 f∗=f0′​+f1′​X+f2′​X2

  2. 计算行列式的逆:简单地计算行列式,可以简化为
    d = f 0 f 0 ′ + ζ ( f 1 f 2 ′ + f 2 f 1 ′ ) d = f_0f_0' + zeta(f_1f_2' + f_2f_1') d=f0​f0′​+ζ(f1​f2′​+f2​f1′​)
    然后计算 d − 1 = d q − 2 d^{-1}=d^{q-2} d−1=dq−2,利用快速幂算法

  3. 最后得到 f − 1 = d − 1 f ∗ f^{-1}=d^{-1}f^* f−1=d−1f∗,其中的所有模乘运算都采取 M o n t ( f , g ) Mont(f,g) Mont(f,g) 和 M o n t c o n s t ( f , ζ ′ , ζ ′ ′ ) Mont_{const}(f,zeta',zeta'') Montconst​(f,ζ′,ζ′′) 来计算

由于 M o n t ( f , g ) Mont(f,g) Mont(f,g) 会引入一些因子 ( β − 1 ) v (beta^{-1})^v (β−1)v,我们需要追踪它们,结果是:

  • 公钥 h = 3 g / f h=3g/f h=3g/f 的因子为 β beta β
  • 密文 h r hr hr 的因子恰好为 1 1 1,于是可以直接和 m m m 相加
  • 解密 f c fc fc 的因子为 β − 1 beta^{-1} β−1,在 InvNTT 的结尾我们计算 M o n t ( m , β ⋅ ( β ⋅ 25 6 − 1 ) ( m o d q ) ) Mont(m, betacdot(betacdot256^{-1}) pmod q) Mont(m,β⋅(β⋅256−1)(modq)) 消掉它们

也使用 AVX2 实现这些 Base Ring 上的运算。那么环 Z 7681 [ X ] / ( X 768 − X 384 + 1 ) mathbb Z_{7681}[X]/(X^{768}-X^{384}+1) Z7681​[X]/(X768−X384+1) 上的多项式运算:NTT,InvNTT,小环 Z 7681 [ X ] / ( X 3 − ζ ) mathbb Z_{7681}[X]/(X^3-zeta) Z7681​[X]/(X3−ζ) 上的乘法、除法,它们的计算速度都是极快的。这导致效率瓶颈,反而是 Sample、Hash、XOF、Pack/Unpack 这些运算。

Binomial Sampling

为了快速采样 β 2 = ( a 1 + a 2 ) − ( b 1 + b 2 ) ( m o d ± 3 ) beta_2=(a_1+a_2)-(b_1+b_2)pmod{^pm3} β2​=(a1​+a2​)−(b1​+b2​)(mod±3),[LS19] 采取查表的方法。构造如下的 LUT,它是长度为 16 16 16 的向量:

( a 1 a 2 b 1 b 2 ) 2 (a_1a_2b_1b_2)_2 (a1​a2​b1​b2​)2​ β 2 beta_2 β2​
0 = 0000 0=0000 0=0000 0 0 0
1 = 0001 1=0001 1=0001 − 1 -1 −1
2 = 0010 2=0010 2=0010 − 1 -1 −1
3 = 0011 3=0011 3=0011 1 1 1
14 = 1110 14=1110 14=1110 1 1 1
15 = 1111 15=1111 15=1111 0 0 0

由于 β 2 beta_2 β2​ 取值 { − 1 , 0 , 1 } {-1,0,1} {−1,0,1} 只花费 2 2 2 比特,因此上述的 LUT 可以被存储为一个字 T T T,采样算法就是:产生均匀的四比特 i = ( a 1 a 2 b 1 b 2 ) 2 i=(a_1a_2b_1b_2)_2 i=(a1​a2​b1​b2​)2​,然后简单的 shift,
β 2 [ a 1 , a 2 , b 2 , b 2 ] = ( T ≫ ( 2 i ) ) [ 0 ] beta_2[a_1,a_2,b_2,b_2] = left(T gg (2i)right)[0] β2​[a1​,a2​,b2​,b2​]=(T≫(2i))[0]
考虑到表格的对称性 β 2 [ i ] = − β 2 [ 15 − i ] beta_2[i]=-beta_2[15-i] β2​[i]=−β2​[15−i],实际上 LUT 可以被存储为半个字( 16 16 16 比特),从而一个 AVX256 寄存器中可以填入 16 16 16 张表,以 16 16 16 路并行的方式快速采样。不过 AVX2 不支持半精度整数的移位,所以还需要把 LUT 重排一下。

Symmetric Primitives

为了生成 f , g , r f,g,r f,g,r,我们使用 XOF 对某个 seed 做扩展,然后调用上述的 Binomial Sampler 执行各个系数的采样。但是 SHAKE 的速度很慢(相对于 NTT 而言),所以 [LS19] 选用了 CTR-mode AES 作为 XOF

在 KEM 的封装算法中,需要计算两个哈希 r ← H D R ( m ) r gets H_{D_R}(m) r←HDR​​(m) 和 k ← H K ( m ) k gets H_{K}(m) k←HK​(m),[LS19] 使用 SHA512 合并地计算出 512 512 512 比特的摘要,然后各自设置 r , k ∈ { 0 , 1 } 256 r,k in {0,1}^{256} r,k∈{0,1}256 是它的各一半。

Vectorized Packing

由于 q = 7681 ≈ 2 13 q=7681 approx 2^{13} q=7681≈213,因此我们将多项式的每 8 8 8 个系数(本来占据 16 16 16 字节),打包到连续的 13 13 13 字节,减少通信开销。这个打包过程也是极慢的,如果不进行 AVX2 优化,它甚至比 SHA3 的速度还要慢。

鉴于 AVX256 寄存器是连续读取,[LS19] 间隔 16 16 16 提取 8 8 8 个系数(而非连续的 8 8 8 个系数),将它们打包在一起。于是可以将 16 × 8 16 times 8 16×8 个系数,连续读取到 8 8 8 个 AVX256 寄存器中(每个寄存器加载连续的 16 16 16 个系数),然后并行地打包,得到 16 16 16 个长度 13 13 13 字节的打包结果。

本文发布于:2024-02-04 04:44:14,感谢您对本站的认可!

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