Paillier şifreleme sistemi

Paillier şifrelemesi , 1999’da Pascal Paillier tarafından geliştirilen olasılıksal açık anahtarlı şifreleme yöntemidir. n’inci kök sınıflarını hesaplamanın zorluğunu kullanan Paillier şifreleme sistemi, kararsal bileşik kök sınıfı varsayımı (en:decisional composite residuosity assumption) üzerine kurulmuştur. Sistem, toplama işlemine göre homomorfik (homomorphic) özellik gösterir; yani sadece açık anahtarı, ${\displaystyle m_{1}}$ ve ${\displaystyle m_{2}}$’nin şifrelemesini kullanarak ${\displaystyle m_{1}+m_{2}}$’nin şifrelenmiş hâli hesaplanabilir.

Sistemin çalışma şekli aşağıda anlatılmıştır:

1. ”p” ve “q”, rastgele seçilen, birbirinden bağımsız ve ${\displaystyle \operatorname {EBOB} (pq,(p-1)(q-1))=1}$ özelliğini sağlayan iki büyük asal sayı olsun. İki asal sayı da eşit uzunlukta seçilirse, yani güvenlik parametresi ${\displaystyle s}$ için ${\displaystyle p,q\in 1||\{0,1\}^{s-1}}$ ise bu koşul doğrudan sağlanır.^[1]
2. ${\displaystyle n=pq}$ ve ${\displaystyle \lambda =\operatorname {EKOK} (p-1,q-1)}$ olarak hesaplanır.
3. ${\displaystyle g\in \mathbb {Z} _{n^{2}}^{*}}$ olmak üzere rastgele bir ${\displaystyle g}$ tam sayısı seçilir. Yani g sayısı, 1 ile (n² - 1) arasında rastgele bir değer almalı ve EBOB(g, n²) = 1 özelliğini sağlamalıdır.
4. ${\displaystyle L}$ fonksiyonu ${\displaystyle L(u)={\frac {u-1}{n}}}$ şeklinde tanımlanmak üzere; ${\displaystyle \mu =(L(g^{\lambda }\mod n^{2}))^{-1}\mod n}$’nın hesaplanabilirliği kontrol edilerek, ${\displaystyle n}$’nin ${\displaystyle g}$’nin mertebesini böldüğünden emin olunur.

${\displaystyle {\frac {a}{b}}}$ gösteriminin ${\displaystyle a}$ ile ${\displaystyle b}$’nin çarpmaya gore modüler tersinin çarpımına değil, ${\displaystyle a}$’nın b’ye bölümüne; yani ${\displaystyle v\geq 0}$ olmak üzere ${\displaystyle a\geq vb}$ eşitsizliğini sağlayan en büyük tam sayı ${\displaystyle v}$’ye eşit olduğuna dikkat ediniz.

• ${\displaystyle (n,g)}$ - Açık Anahtar (Şifreleme Anahtarı).
• ${\displaystyle (\lambda ,\mu ).}$ - Gizli Anahtar (Şifre Çözme Anahtarı)

Eğer eşit uzunlukta p,q kullanılırsa, yukarıda anlatılan anahtar üretim işlemi, ${\displaystyle \varphi (n)=(p-1)(q-1)}$ olmak üzere, ${\displaystyle g=n+1,\lambda =\varphi (n),}$ ve ${\displaystyle \mu =\varphi (n)^{-1}\mod n}$, şeklinde daha basit olarak yapılabilir. .^[1]

1. ${\displaystyle m}$, ${\displaystyle m\in \mathbb {Z} _{n}}$ koşulunu sağlayan, şifrelenecek mesaj olsun.
2. ${\displaystyle r\in \mathbb {Z} _{n}^{*}}$ koşulunu sağlayan rastgele bir ${\displaystyle r}$ seçilir. Yani r sayısı, 1 ile (n - 1) arasında rastgele bir değer almalı ve EBOB(r, n²) = 1 özelliğini sağlamalıdır.
3. Şifreli metin ${\displaystyle c=g^{m}\cdot r^{n}\mod n^{2}}$ şeklinde hesaplanır.

1. Şifreli metin ${\displaystyle c\in \mathbb {Z} _{n^{2}}^{*}}$
2. Mesaj ${\displaystyle m=L(c^{\lambda }\mod n^{2})\cdot \mu \mod n}$ eşitliği kullanılarak hesaplanır.

Özgün makalede^[2] belirtildiği gibi şifre çözme işlemi, temel olarak, mod ${\displaystyle n^{2}}$’de yapılan bir üs alma işleminden ibarettir.

Paillier şifrelemesinin homomorfik özelliği oldukça önemlidir. Şifreleme fonksiyonu toplama işlemine göre homomorfik olduğu için, aşağıdaki eşitlikler geçerlidir:

• Şifrelenmemiş metinlerin homomorfik olarak toplanması

${\displaystyle D(E(m_{1},r_{1})\cdot E(m_{2},r_{2})\mod n^{2})=m_{1}+m_{2}\mod n.\,}$

${\displaystyle D(E(m_{1},r_{1})\cdot g^{m_{2}}\mod n^{2})=m_{1}+m_{2}\mod n.\,}$

• Şifrelenmemiş metinlerin homomorfik olarak çarpılması

${\displaystyle D(E(m_{1},r_{1})^{m_{2}}\mod n^{2})=m_{1}m_{2}\mod n,\,}$

${\displaystyle D(E(m_{2},r_{2})^{m_{1}}\mod n^{2})=m_{1}m_{2}\mod n.\,}$

Daha genel olarak belirtmek gerekirse:

${\displaystyle D(E(m_{1},r_{1})^{k}\mod n^{2})=km_{1}\mod n.\,}$

Özellikle belirtmek gerekirse, Paillier şifrelenmiş hali verilen iki mesajın çarpımının şifrelenmiş hali, gizli anahtar olmadan hesaplanamaz.

Paillier şifrelemesi ile, bazı ayrık logaritmaların (Ayrık logaritma) kolay bir biçimde hesaplanabileceği gösterilebilir. Örneğin, binom açılımı kullanarak,

${\displaystyle (1+x)^{n}=\sum _{k=0}^{n}{n \choose k}x^{k}=1+nx+{n \choose 2}x^{2}+higher\ powers\ of\ x}$

Yukarıdaki eşitlikten

${\displaystyle (1+n)^{x}\equiv 1+nx{\pmod {n^{2}}}}$

elde edilir. Buradan, eğer

${\displaystyle y=(1+n)^{x}\mod n^{2}}$

ise

${\displaystyle x\equiv {\frac {y-1}{n}}{\pmod {n}}}$

yazılabilir. Yani;

${\displaystyle L}$ fonksiyonu ${\displaystyle L(u)={\frac {u-1}{n}}}$ (tam sayı bölme işleminin bölümü) şeklinde tanımlanmak üzere ve ${\displaystyle x\in \mathbb {Z} _{n}}$ iken

${\displaystyle L((1+n)^{x}\mod n^{2})\equiv x{\pmod {n}}}$,

yazılabilir.

Yukarıda belirtilen orijinal kriptosistem yukarıda gösterildiği gibi seçilmiş açık metin saldırılarına karşı anlamsal güvenlik sağlar (Seçilmiş açık metin saldırısı).

• Paillier’in tarihsel öncüsü Okamoto-Uchiyama şifreleme sistemi.
• Paillier’in genelleştirilmiş hâli Damgård–Jurik şifreleme sistemi.
• Paillier’in etkileşimli simülatörü^[3] oylama uygulamasının örneğidir.
• Paillier şifrelemesinin etkileşimli demosu^[4]
• Kriptografik yöntemler kullanılarak nasıl oylama yapılabileceğini gösteren googletechtalk videosu^[5]

• Paillier, Pascal (1999). "Public-Key Cryptosystems Based on Composite Degree Residuosity Classes". EUROCRYPT. Springer. pp. 223–238. doi:10.1007/3-540-48910-X_16
• Paillier, Pascal; Pointcheval, David (1999). "Efficient Public-Key Cryptosystems Provably Secure Against Active Adversaries". ASIACRYPT. Springer. pp. 165–179. doi:10.1007/978-3-540-48000-6_14
• Paillier, Pascal (1999). Cryptosystems Based on Composite Residuosity (Ph.D. thesis). École Nationale Supérieure des Télécommunications.
• Paillier, Pascal (2002). "Composite-Residuosity Based Cryptography: An Overview" (PDF). CryptoBytes. 5 (1). 20 Ekim 2006 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 22 Mayıs 2012. 

• "Homomorfik Şifreleme Projesi". 29 Haziran 2012 tarihinde kaynağından arşivlendi. Paillier şifrelemesinin homomorfik özellikleriyle beraber geliştirilmiş hâlidir .
• Encounter : Paillier şifrelemesinin ve buna dayana kriptografik sayaçların geliştirilmiş hâlini içeren açık kaynak kütüphane.