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本文章将解释如何利用随机取整算法(randomized rounding)来找最近的格向量(closest lattice vector),其中最近指的是欧几里得范数(Euclidean norm)最小。将该问题总结如下:
给定格基,给出任意向量x(不在格点上),如何采用启发式算法大概率找到离其最近的格点?
该算法的运行时间取决于:
格密码有一个基本问题叫做最近向量问题,如下指的是同一类:
最近向量问题:closest lattice vector problem 或者nearest lattice point problem,简称CVP问题。
格上CVP问题是NP-hard的,也就是没有多项式时间复杂度的算法能解决此类问题,只有指数时间复杂度的算法才能解决。但是,如果给该类问题外加一些限制的话,可能会变得简单。
Furst和Kannan发现了一类问题,叫做子集和问题,跟CVP问题有异曲同工之妙。如果给CVP问题如下限制的话,那么该问题就可以被解决:
v离格点的距离小于最短Gram-Schmidt向量的一半
在该条件下,很明显,满足条件的格点只有一个。
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Gram-Schmidt算法可以将任意向量转为正交向量。给定一个格基,正交后的向量叫Gram-Schmidt向量,写做。垂直于向量空间的分向量即为.
KZ基的全称是Korkin-Zolotarev基,最早由Lagarias等人提出。它们发现了最短的Gram-Schmidt向量与格上最短向量(SVP问题)之间的关系:
最短的Gram-Schmidt向量大于等于3/2n倍的最短向量长度。
接下来,我们将演示一个算法,其复杂度为:
如果以下条件满足的话,那么可以找到离v最近的格向量:
实数点v离格的距离小于最短Gram-Schmidt向量长度的k倍。
也就是当解码半径变大时,时间复杂度也在增大。效率和正确率需要相互平衡。
n个向量,其形成的向量空间为,其形成的格记为
输入点x以及格基,尝试输出:
使得如下最小:
该问题的本质就是BDD问题,其时间复杂度为:
很明显,当x离格的距离比最小的Gram-Schmidt向量的长度大太多,那么该算法的复杂度即为多项式时间复杂度。
Kannan提出解决CVP问题的算法复杂度为,其中n代表格的维度。当时,本文章的算法就相当于对该算法进行了优化。
当k<1/2时,解决CVP问题的算法复杂度会直接降低到多项式水平。
回顾定理:
给定格基,给出任意向量v,v到格点的距离一定小于Gram-Schmidt向量长度和的一半。
如果实数点v距离格点近,但又不是那么近,会出现什么情况?
可以借助随机取整算法(random rounding)来将一个实数变为整数。这里随机指的是5取整的话,可能会变成其他整数。
我们将该算法记作。其中c为下标,r为输入。
将r写做r=p+a,其中p代表整数,a代表小数,也就是:
借鉴网络安全领域的离散高斯分布,来看一个特殊的表达:
根据高斯函数的性质,易得:
将该不等式的右边写做s(c),也就是:
当把此算法结合原始的Babai算法时,则可以出现比较好的结果。
将寻找最近格点的算法记作,其中A为下标代表公共参数,x代表输入,d代表维度。如果x为零向量的话,那么d=0。换句话说,向量x位于空间内。
第一步:将x投影到的分向量记为
第二步:生成参数c,如下:
这一步的c就是上个算法中的c
第三步:进行随机取整,如下:
第四步:形成x',如下:
d维结束,接着继续重复计算d-1维即可,此时可得:
定理1
位于空间内。
证明如下:
定理2
x和x'之间的差为
定理3
对于任意向量满足:
该算法可以输出一个向量满足:
很明显该向量y在格点上,而且该格点满足:
证明:
根据算法的定义,x'如下:
根据归纳假设,d-1维的算法输出的格点y'满足:
由此可得:
带入即可得:
定理4
假定为格点,x为实数点。以上算法输出的概率为:
所以要想输出最近的格点,可能需要调用算法多次,让后从这些样本中挑选出最近的。理论上,只有样本足够大,其中肯定包含最近的向量。算法调用的次数取决于三个值:x离格点的距离,1/s的值,参数A的取值。
如果将算法实例化,那么对应的概率为:
实际上借助decision tree,可以将其转为确定性算法。
(1)格上CVP问题介绍
L. Babai, "On Lovhsz' lattice reduction and the nearest lattice point problem," Combinatorica (1986), pp. 1-13.
(2)介绍闵可夫斯基凸体定理
R. Kannan, "Minkowski's convex body theorem and integer programming," Mathematics o] Operations Research, vol. 12 (1987), pp. 415-440.
(3)介绍KZ基
J. C. Lagarias, H. W. Lenstra, and C. P. Schnorr, "Korkin-Zolotarev Bases and successive minima ofa lattice and its reciprocal lattice," Combinatorica (1990), pp. 333-348.