Tương lai hậu lượng tử của quyền riêng tư trên web

Bối cảnh: Privacy Pass và áp lực từ máy tính lượng tử

Các giao thức thỏa thuận khóa có xác thực như TLS là ưu tiên hàng đầu khi chuyển sang mật mã hậu lượng tử, vì thiếu chúng thì liên lạc an toàn trên Internet sẽ không khả thi khi máy tính lượng tử đủ mạnh xuất hiện. Tuy nhiên, hiện nay ta phụ thuộc vào mật mã dễ bị lượng tử phá vỡ nhiều hơn là chỉ ở TLS.

Privacy Pass là giao thức được các nhà vận hành site như Cloudflare dùng để chống lạm dụng, chẳng hạn giới hạn tốc độ từng client. Cách thông thường gây ma sát hoặc mất riêng tư: CAPTCHA, tài khoản, dấu vân tay. Privacy Pass tránh đánh đổi này bằng cách cấp cho client một số token có thể đổi lấy quyền truy cập, và mỗi token không thể liên kết với client đã nhận nó.

Sau 10 năm triển khai cho các ứng dụng như proxy riêng tư (iCloud Private Relay) và relay (Privacy Gateway), Cloudflare cùng các bên đang xây thế hệ tiếp theo. Hai mục tiêu: công cụ quản lý lưu lượng agent tốt hơn và hệ sinh thái mở hơn cho nhiều loại client.

Vấn đề hậu lượng tử

Privacy Pass vẫn dùng mật mã cổ điển như RSA và đường cong elliptic, nên kẻ tấn công lượng tử có thể giả token để vượt cơ chế bảo vệ. Bù lại, Privacy Pass có tính riêng tư vô điều kiện: không ai, kể cả lượng tử, liên kết được việc đổi token với lúc cấp. Các năng lực mới cũng sẽ giữ nguyên bảo đảm này sau Q-day.

Thách thức chính là kích thước của các giải pháp hậu lượng tử: chữ ký ML-DSA-44 tới 2.420 byte, trong khi ECDSA-P256 chỉ 64 byte. Khó có giải pháp thay thế trực tiếp, nên phải chấp nhận nguyên thủy tốn kém hơn và thiết kế lại hệ thống.

MOLE: ẩn danh cả bên phát hành

Thành phần cốt lõi của Privacy Pass là lược đồ chữ ký mù, cho phép client lấy chữ ký dưới khóa bí mật của issuer mà không lộ nội dung đã ký. Một loại token gồm thông điệp và chữ ký mù; khi xác minh, bên kiểm tra cần khóa công khai của issuer nên biết danh tính issuer. Với nhiều trường hợp, đây là thông tin nhiều hơn mức cần thiết.

Công nghệ mới MOLE (Moderation Of unLinkable Endorsements) đi xa hơn: token ẩn cả danh tính issuer để không đối xử khác biệt dựa trên người phát hành. Cơ chế dùng endorsement do anchor phát hành và moderator đổi. Client và moderator thống nhất tập anchor; khi đổi, client chứng minh endorsement đến từ một anchor trong tập mà không lộ anchor nào. Moderator sau đó cấp credential MOLE để điều tiết tương tác. Credential có thể hiện thực bằng nhiều cách, từ chữ ký mù đến token tín dụng ẩn danh hay credential giới hạn tốc độ ẩn danh.

Bài toán trung tâm và bước đột phá VOLEitH

Thiết kế giao thức mật mã luôn có sự giằng co giữa khả năng thích ứng và hiệu quả. MOLE cần nhiều loại hệ thống credential và sẽ thay đổi theo thời gian, nên cần bộ khối dựng có thể kết hợp linh hoạt. Các lược đồ hậu lượng tử phổ biến như ML-DSA được tinh chỉnh tham số cho đúng ứng dụng, không nhất thiết an toàn cho mục đích khác. Thách thức trung tâm của credential ẩn danh hậu lượng tử là tách việc chọn tham số khỏi thiết kế giao thức.

Bước đột phá đến từ hệ chứng minh không kiến thức VOLE-in-the-Head (VOLEitH, Baum và cộng sự, Crypto 2023). Hệ này cho phép chứng minh biết nhân chứng ẩn thỏa mãn một mệnh đề công khai mà không lộ nhân chứng, và có thể chuyển thành chữ ký số. VOLEitH dễ hiểu và dễ hiện thực an toàn; dù không ngắn gọn, nó rất hiệu quả với mệnh đề biểu diễn dưới dạng phương trình trên trường nhị phân nhỏ.

Ví dụ, chứng minh quan hệ Y=AES(K,X) cho chữ ký FAEST chỉ khoảng 4KB. Với lược đồ KuMQuat dựa trên bài toán đa biến bậc hai (MQ), chữ ký có thể nhỏ tới 2.6KB. Những con số này chưa ấn tượng so với ML-DSA hay FN-DSA, nhưng với MOLE, cần cân bằng giữa hiệu năng và khả năng xây nhiều loại credential.

Chữ ký đa biến và hướng tiếp theo

Một cách khác xây chữ ký từ ánh xạ MQ là nhúng thêm cấu trúc toán học. Trong lược đồ Unbalanced Oil and Vinegar (UOV), khóa công khai là ánh xạ MQ P, chữ ký là vector s thỏa P(s)=t với t thu được bằng băm và salt thông điệp cần ký. Khóa bí mật là cửa bẫy cho P.

Nguồn: Cloudflare Blog