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百万富翁问题 #52

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最近在看零知识证明,了解到了一个很有意思的问题,即《姚氏百万富翁问题》,该问题由图灵奖得主姚期智老师提出。算是对开始解零知识证明的朋友起到抛砖引玉作用的经典问题。下面展开一下问题的描述,以及姚期智老师给出的一个答案。

问题

假设有两个富翁甲,乙,他们的财产数量分别为 a, b ,且 1 ≤ a, b ≤ N 。甲,乙两者想知道他们两者的财产数量谁多,但是又不能透露他们具体的财产数量。

解答

乙先生产自己的一对非对称加密(如 RSA)秘钥对,即公钥 E,私钥 C 。并像 TLS 通信中一样将公钥 E 发送给甲,然后是自己保留 C 。

第一步

甲再取一个大于 a 的数字 X(尽量取大),将 X 通过乙的公钥加密后得到 E(X) ,然后将 E(X) - a 发送给乙。

第二步

乙取得 E(X) - a 后,由于不知道 X 的具体值,所以也更无从知晓 a 。他将进行一组计算来对 E(X) 进行枚举(对所有 a 的可能范围,即1 到 N),然后使用私钥解密,使得枚举结果中有一项为 X:

由于 1 ≤ a, b ≤ N 的前提,所以其中必有一项为 C(E(X) - a + a) ,即 X 。

第三步

乙取一个素数 P ,P 尽量比 X 小几个数量级(甲提前向乙透露 X 的数量级并不会有问题)。这时,将上述计算取得的一组结果全部与 P 取余,得:

第四步

在上述取余结果计算中,前 b 项不变,后 N 项全部 +1 ,即:

然后将这组结果与 P 全部发送给甲。由于第 a 项为:C(E(X) - a + a) mod P 即 X mod P,若 a < b,则第 a 项就不会被 +1 。

第五步

甲取得数据后,计算 X mod P ,若 X mod P 存在于乙发送的数据中,则 a < b ,否则 a ≥ b 。由于乙传输的结果经过了取余操作,且 P 比 X 小几个数量级,所以甲无法对原式子进行 100% 正确的还原。

小结

所以这个解答的关键步骤就是第三步,即取余,是进行了一次同态加密(Homomorphic encryption),隐藏了原数据,但保持了结果正确。若不进行取余,而是单纯的让甲通过 X 是否在乙发送的结果中来判断的话,不管 a < b 还是 a ≥ b ,由于甲是知道 X,P,a 和 N 的,甲可以将乙的结果通过公钥再次加密,然后枚举试出乙是在哪一个位置开始进行 +1 操作的。