FO with Prefix Hashing & KEM Generalizations

参考文献：

1. [Has88] Hastad J. Solving simultaneous modular equations of low degree[J]. siam Journal on Computing, 1988, 17(2): 336-341.
2. [BBM00] Bellare M, Boldyreva A, Micali S. Public-key encryption in a multi-user setting: Security proofs and improvements[C]//Advances in Cryptology—EUROCRYPT 2000: International Conference on the Theory and Application of Cryptographic Techniques Bruges, Belgium, May 14–18, 2000 Proceedings 19. Springer Berlin Heidelberg, 2000: 259-274.
3. [CS03] Cramer R, Shoup V. Design and analysis of practical public-key encryption schemes secure against adaptive chosen ciphertext attack[J]. SIAM Journal on Computing, 2003, 33(1): 167-226.
4. [HHK17] Hofheinz D, Hövelmanns K, Kiltz E. A modular analysis of the Fujisaki-Okamoto transformation[C]//Theory of Cryptography Conference. Cham: Springer International Publishing, 2017: 341-371.
5. [GHP18] Giacon F, Heuer F, Poettering B. KEM combiners[C]//Public-Key Cryptography–PKC 2018: 21st IACR International Conference on Practice and Theory of Public-Key Cryptography, Rio de Janeiro, Brazil, March 25-29, 2018, Proceedings, Part I 21. Springer International Publishing, 2018: 190-218.
6. [BDG20] Bellare M, Davis H, Günther F. Separate your domains: NIST PQC KEMs, oracle cloning and read-only indifferentiability[C]//Advances in Cryptology–EUROCRYPT 2020: 39th Annual International Conference on the Theory and Applications of Cryptographic Techniques, Zagreb, Croatia, May 10–14, 2020, Proceedings, Part II 30. Springer International Publishing, 2020: 3-32.
7. [DHK+21] Duman J, Hövelmanns K, Kiltz E, et al. Faster lattice-based KEMs via a generic Fujisaki-Okamoto transform using prefix hashing[C]//Proceedings of the 2021 ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security. 2021: 2722-2737.
8. [PR23] Poettering B, Rastikian S. A study of KEM generalizations[C]//International Conference on Research in Security Standardisation. Cham: Springer Nature Switzerland, 2023: 53-77.
9. 后量子 KEM 方案：Kyber
10. FO-like Transformation in QROM

Multi-user Setting

通常的，PKE 的安全性定义都是针对 Single-user Setting 来说的：单个用户生成公私钥对，敌手试图区分密文、恢复明文、恢复私钥。然而 [Has88] 给出了 RSA 的一种攻击：三个用户分别生成公私钥对，另一个用户发送相同的消息给他们（不同密文的消息存在关联），敌手利用这些密文所加密的是同一个明文的关系，可以恢复出这个消息。这种场景称为 Multi-user Setting，敌手的攻击能力更强。一种解决办法是在明文后边 padding 一个随机串，从而相同消息被强行设置为了部分随机的消息，这使得 RSA 从确定性加密（仅仅是 OW 的）转化为了随机加密（具备 IND 的性质）。

Single-user Setting 下的 IND 安全性，就是常规的那种 IND-CPA/CCA，

[BBM00] 给出了 Multi-user Setting 下的 IND 安全性的定义，

[BBM00] 证明了 IND-CPA/CCA in the Single-user Setting 直接导致了 IND-CPA/CCA in the Multi-user Setting，损失因子正比于用户数量。

FO with Prefix Hashing

Multi-user Setting 的敌手能力比 Single-user Setting 的能力更强，虽然 [BBM00] 证明了在 Single-user 安全蕴含了 Multi-user 安全。但是为了增加信心，一种通用的设计范式是：域分离（domain separate），使得不同的 User 使用不同的随机函数。例如把公钥也作为 RO 的输入，额外的好处是让最终获得的 shared key 同时依赖双方的随机性。

然而，可以证明域分离确实可以增加数字签名的安全性，但是对于 PKE 人们并没有给出形式化证明。[DHK+21] 证明在 FO 转换中把公钥作为 KDF 的一部分，可以使得在 Multi-user Setting 下从 IND-CCA 到 IND-CPA 的归约更紧。

确切地说，对于 [HHK17] 中的 $F{O}_m^{/\perp }$ 转换，将原始的
$$r\leftarrow G(m),K\leftarrow H(m)$$
改变为（使用了 [BDG20] 的 output-splitting functor）
$$(K,r)\leftarrow F(pk,m)$$
另外 [DHK+21] 发现将 pk 完全输入到 RO 中是不必要的。事实上，格密码的基本运算很快，同时公钥的规模却很大，这导致 Hash 的运算占据主导开销。我们只需要将 pk 不可预测的一小部分输入到 Hash 函数中即可。令 $ID:pk\to \{0,1{\}}^{256}$ 是某个简单的变换函数，现在的 KDF 变为了
$$(K,r)\leftarrow F(ID(pk),m)$$
将这个 FO 变换记为 $F{O}_{ID(pk),m}^{/\perp }$，它采用了 implicit rejection

以及 prefix hashing（将 pk 作为前缀）

对于 Kyber 方案的具体实现，

1. 公钥是 $(\rho ,t)$，其中 $\rho$ 是生成 $A$ 的种子，$t$ 是第二分量 $b=As+e$ 的 NTT 表示，打包为紧凑的比特串。根据简单的傅里叶分析，噪声 $e$ 的频域的前若干个系数基本是均匀分布的，因此可以使用 $t$ 的前缀 $32$ 字节作为 $ID(pk)$。我们不使用种子 $\rho$，因为有些场景中它可能被复用。
2. 封装：随机采样 $m$，计算 $(K,r)\leftarrow F(ID(pk),m)$，加密 $c\leftarrow Enc(pk,m;r)$，输出 $(K,c)$
3. 解封装：解密 $m^{\prime }\leftarrow Dec(sk,c)$，计算 $(K,r)\leftarrow F(ID(pk),m^{\prime })$，检查 $Enc(pk,m^{\prime };r)$ 是否等于 $c$，输出 $K$ 或者随机伪密钥 $K^{\prime }\leftarrow F_1(ID(pk),s,c)$，这里 $F_1$ 就是 $F$ 的前缀 $K$ 的部分。

对于不受侧信道攻击的场景，可以仅当 $Enc(pk,m^{\prime };r)\ne c$ 之后才计算 $K^{\prime }$，可以加快计算速度，同时它仅在计时攻击下泄露显式拒绝。事实上 [HHK17]，在 ROM 下 FO with explicit rejection 也是安全的。不过他们建议最好还是给出常数时间的实现。

安全归约：

效率测试：

KEM Generalizations

[CS03] 提出 KEM+DEM paradigm，它将 PKE 的构造划分为了两个原语，使得灵活性更好。人们关注如何构造 KEM 方案，然后将它转化为其他的原语。

Key Transport：KEM 可以视为只有单方验证的 KT 协议。为了构造主动攻击下安全的 KT 协议，我们可以用 KEM 协商出会话密钥 $k$，然后使用 IND-CCA DEM 传递秘密信息 $c=DEM.Enc(k,k^{\prime };r)$。这里的 DEM 可以使用 AE 或者 AEAD 来实现。

KEM Combiner：人们可能信任不同的 KEM 方案，[GHP18] 提出了 KEM 组合器，只要其中一个 KEM 是安全的，那么它产生的 KEM 就是安全的。简单地异或 $k\leftarrow k_1\oplus k_2$ 对于主动敌手是不安全的，需要使用 PRF，一种是 $k\leftarrow F(k_1,c_2)\oplus F(k_2,c_1)$，另一种是 $k\leftarrow H(k_1,k_2,c_1,c_2)$

然而，他们都需要额外的对称原语。[PR23] 指出这是由于 KEM 的抽象带来的限制。他们给出了 KEM 的适度增强，使得 KEM 可以直接构造出 KT 和 Combiner，而不再需要额外的对称原语。类似于之前的一些工作，[PR23] 使用 Label 和 Tag 去增强 KEM 概念，给出了两种新概念。

原始的 KEM 定义：

VKEM

首先是 versatile key encapsulation mechanism 概念，

要求它具有： handle freshness、history matching、key recovery、handle divergence 性质。为了 KEM Combiner 的归约，额外需要 label binding 性质。

[PR23] 给出了一种简单的方式将 KEM 转换为 VKEM：

KDFEM

其次是 key derivation function encapsulation mechanism 概念，

它的 KEM 并非封装 key 本身：而是封装一个 KDF，最后用 KDF 生成 key

[PR23] 证明只需对 NIST KEM（Kyber, McEliece, Saber, NTRU）做很小的修改，就能使他们变成 KDFEM

Key Transport

KT 的定义为：

基于 KDFEM 构造 KT，采取 encrypt-then-mac approach，其中的 One-time Pad 和 MAC 就直接使用所封装的 KDF，如图：

KEM Combiner

基于两个 VKEM 的组合器：第一阶段输出的 $h{d}_1,h{d}_2$ 包含了一些信息，将它们交换到第二阶段中，

基于两个 KDFEM 的组合器：它们分别封装了 $f_1,f_2$，交叉混合为 $k\leftarrow f_1(h{d}_2)+f_2(h{d}_1)$，