安全协议的理性模型与理性公平性及其机制设计方法研究

The rational cryptography has effectively extended the traditional cryptography both in theory and application. It is becoming a hot topic of cryptography. The purpose of this project is to develop the formalized definitions, realization methods and basic theoretical frameworks of rational models and rational fairness in the rational secure cryptographic protocols. Based on mechanism design, some critical issues of rational secure cryptographic protocols will be solved. The specific researches as follows: Firstly, according to the related results of economic system and social network system, some general problems, formalized descriptions,design principles of payoff function and basic system will be researched in secure cryptography protocols. Semantics, formal definitions and models of rational fairness will be improved or proposed, and then, formal descriptions and design methods of rational fairness of fair exchange, secret sharing and secure multiparty computation will be provided. Secondly, based on game theory and reputation theory, we will focus on the rational modeling and architecture by using mechanism design.Thirdly,combined with the goal of rational fairness, incentive compatibility schemes between individual benefit and fairness of rational foundation protocols in distributed cryptography system will be studied. Finally, rational model and rational fairness will be researched based on the information theory. Both information efficiency and fairness of information resources in rational cryptograhpy protocols will be respectively discussed by using the information entropy and cost quantization of mechanism.

理性密码学有效地扩展了传统密码学的研究领域和应用空间，已成为一个新的研究热点。本课题的目标是研究安全协议的理性模型和理性公平性的形式化定义、实现方法和基本体系，借助机制设计的理论方法以解决理性安全密码协议中的一些关键问题。具体内容有：1、参照经济系统和社会网络系统中的相关问题，探讨安全密码协议的理性模型一般问题、形式化描述、效用设计原理和基本体系。提出或完善理性公平性的语义、形式化定义及模型。针对公平交换、秘密共享和安全多方计算环境，给出理性公平性的形式化描述和实现方法；2、基于博弈论、信誉理论，研究以机制设计为核心的安全协议的理性模型构建方法及体系；3、结合理性公平性目标，研究分布式密码系统中理性基础协议的个体利益与公平性的激励相容机制；4、探讨理性模型和理性公平性的信息论描述方法，利用信息熵探讨理性密码协议的信息效率问题，通过对机制运行成本的量化，探索理性密码协议的信息资源公平性问题。

理性安全协议的参与者和攻击者的有限理性特征，使其攻击行为和合谋行为与传统方式不同，安全性和公平性的内涵也随之变化。本项目从研究安全协议的理性模型和理性公平性的相关问题出发，探索安全协议的理性模型与理性公平性的机制设计和分析，重点围绕理性模型和理性公平性的语义和形式化定义、机制设计及激励相容机制、理性安全协议设计及形式化分析、基于信息熵的理性公平安全协议设计展开研究。具体成果有：(1)、引入理性参与者，提出了由理性安全模型和理性效用模型所构成的安全协议理性模型，围绕理性交换、理性秘密共享和理性安全多方计算等协议，完成了相关理性模型及其协议设计；(2)、以博弈均衡为出发点，给出了理性公平性、博弈逻辑理性公平性、强理性公平性、弱理性公平性和信息资源过程公平性等公平性语义和形式化定义，初步形成了理性公平性定义的基本体系；(3)、引入机制设计方法，设计了多种不同的博弈机制，有效解决了相关理性公平性实现问题。通过提出理性安全协议的激励相容机制，实现了个人利益和集体利益相容；(4)、基于所提出的理性模型、机制设计和激励相容机制，设计了满足理性公平目标的理性交换、理性秘密共享和理性安全多方计算等安全协议；(5)、通过改进博弈逻辑ATL和ATEL，形成了适用于理性安全协议形式化分析工具rCEGS和rATEL-A，初步运用该分析工具和BAN逻辑对所设计的理性安全协议进行了形式化分析；(6)、运用博弈熵给出了理性安全协议的博弈模型设计及其公平性描述，提出了理性参与者间信息资源的交换过程公平定义，并基于混合策略的设计了理性公平交换协议。最后，针对相关应用领域，探讨了相关应用协议设计。.项目组在安全协议的理性模型和理性公平性的定义、实现方法、机制设计及其激励相容机制、理性安全协议设计及其形式化分析和博弈熵描述方面，有突破和创新，部分成果形成了独有特色，为从博弈角度解决信息安全问题提供了一种新的思路。同时在人才培养和团队建设方面也取得了较好的效果。