[논문 리뷰] Secure Software Leasing

Prabhanjan Ananth, Rolando L. La Placa|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 11.

Cryptography and Data Security참고 문헌 58인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 양자 암호 기반 원칙인 보안 소프트웨어 렌탈(SSL)을 소개한다. 이는 소유자가 고전적 회로를 나타내는 양자 상태를 렌탈함으로써, 임차인이 상태를 반납한 후에도 함수를 계산할 수 없도록 보장한다. 저자들은 구체적인 암호학적 가정을 바탕으로, 회피 가능한 회로의 일부에 대해 처음으로 증명 가능하게 안전한 SSL 구현을 제안하며, 또한 양자로 학습할 수 없는 함수에 대해 불가능성 결과도 증명한다.

ABSTRACT

Formulating cryptographic definitions to protect against software piracy is an important research direction that has not received much attention. Since natural definitions using classical cryptography are impossible to achieve (as classical programs can always be copied), this directs us towards using techniques from quantum computing. The seminal work of Aaronson [CCC'09] introduced the notion of quantum copy-protection precisely to address the problem of software anti-piracy. However, despite being one of the most important problems in quantum cryptography, there are no provably secure solutions of quantum copy-protection known for any class of functions. We formulate an alternative definition for tackling software piracy, called secure software leasing (SSL). While weaker than quantum copy-protection, SSL is still meaningful and has interesting applications in software anti-piracy. We present a construction of SSL for a subclass of evasive circuits (that includes natural implementations of point functions, conjunctions with wild cards, and affine testers) based on concrete cryptographic assumptions. Our construction is the first provably secure solution, based on concrete cryptographic assumptions, for software anti-piracy. To complement our positive result, we show, based on cryptographic assumptions, that there is a class of quantum unlearnable functions for which SSL does not exist. In particular, our impossibility result also rules out quantum copy-protection [Aaronson CCC'09] for an arbitrary class of quantum unlearnable functions; resolving an important open problem on the possibility of constructing copy-protection for arbitrary quantum unlearnable circuits.

연구 동기 및 목표

• 양자 복사 보호의 더 약한 그러나 실용적인 대안을 제안하여 소프트웨어 도용 문제를 해결하고자 한다.
• 해지된 소프트웨어 상태가 재사용 불가능하도록 보장하는 새로운 암호 기반 원칙인 보안 소프트웨어 렌탈(SSL)을 체계화하고자 한다.
• 구체적인 암호학적 가정을 기반으로, 회피 가능한 회로의 부분집합에 대해 처음으로 증명 가능하게 안전한 SSL 체계를 구축하고자 한다.
• 일부 양자로 학습할 수 없는 함수에 대해 SSL이 불가능함을 증명함으로써 근본적인 제약 조건을 규명하고자 한다.
• 임의의 양자로 학습할 수 없는 회로에 대해 양자 복사 보호가 가능한지 여부에 대한 열린 문제를 해결하고자 한다.

제안 방법

• 저자들은 네 당사자 양자 다항시간 프로토콜인 Gen, 렌터, Run, Check를 정의하여, 임차 만료 시에도 정상적인 기능과 보안을 보장한다.
• 그들은 양자 입력 숨기기 오버클로저(qIHO), 양자 비상호작용 제로지식(qNIZK), 그리고 양자 보안 허위난수 함수(qPRF)를 사용하여 SSL을 구축한다.
• 이 체계는 양자 보안 공통 참조 문자열(CRS)과 q-시뮬레이션 추출 가능 NIZK에 의존하여, 타당성과 시뮬레이션 보안을 확보한다.
• 보안 증명은 하이브리드 실험의 연속을 통해 진행되며, q-시뮬레이션 추출 가능성 가정 하에 진짜 증명과 시뮬레이션 증명 간의 구분이 불가능하다는 것을 보여준다.
• 그들은 양자 입력 숨기기 오버클로저 체계를 사용하여, 오버클로저된 회로가 양자 상태로부터 학습될 수 없도록 보장한다.
• 최종 보안 감소는 SSL에 대한 어떤 성공적인 공격도 q-시뮬레이션 추출 가능 NIZK와 qIHO를 포함한 기초 암호학적 가정의 위반을 암시한다는 것을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구체적인 암호학적 가정 하에 의미 있는 함수 클래스에 대해 증명 가능하게 안전한 소프트웨어 렌탈 체계를 구축할 수 있는가?
• RQ2 모든 함수 클래스에 대해 보안 소프트웨어 렌탈이 가능한가, 아니면 근본적인 제약 조건이 존재하는가?
• RQ3 일부 함수 클래스에 대해 SSL이 불가능하다는 결과가 양자 복사 보호의 가능성에도 제약을 초래하는가?
• RQ4 완전한 양자 복사 보호가 필요 없이도 양자 기법을 사용해 소프트웨어 도용을 방지할 수 있는가?
• RQ5 보안 소프트웨어 렌탈을 달성하기 위해 필요한 최소한의 암호학적 가정은 무엇인가?

주요 결과

• 저자들은 점 함수, 와일드카드를 가진 논리곱, 애파인 테스터를 포함한 회피 가능한 회로의 부분집합에 대해, 구체적인 가정에 기반한 처음으로 증명 가능하게 안전한 SSL 구현을 제시한다.
• 이 체계는 양자 보안 허위난수 함수, 양자 입력 숨기기 오버클로저, 그리고 q-시뮬레이션 추출 가능 비상호작용 제로지식 증명에 의존한다.
• 보안은 하이브리드 추론을 통해 증명되며, SSL을 위반하는 어떤 적대자도 기초 암호 primitive의 위반으로 이어진다는 것을 보여준다.
• 논문은 표준 암호학적 가정 하에, 양자로 학습할 수 없는 함수의 모든 클래스에 대해 SSL이 불가능하다는 것을 증명한다.
• 이 불가능성 결과는 임의의 양자로 학습할 수 없는 회로에 대해 양자 복사 보호가 불가능하다는 점을 배제함으로써 열린 문제를 해결한다.
• 이 연구는 SSL로 달성 가능한 것과, 심지어 양자 기법을 사용해도 달성할 수 없는 것 사이에 명확한 경계를 설정한다.