In this paper we introduce a multistep generalization of the guess-and-determine or hybrid strategy for solving a system of multivariate polynomial equations over a finite field. In particular, we propose performing the exhaustive evaluation of a subset of variables stepwise, that is, by incrementing the size of such subset each time that an evaluation leads to a polynomial system which is possibly unfeasible to solve. The decision about which evaluation to extend is based on a preprocessing consisting in computing an incomplete Grobner basis after the current evaluation, which possibly generates linear polynomials that are used to eliminate further variables. If the number of remaining variables in the system is deemed still too high, the evaluation is extended and the preprocessing is iterated. Otherwise, we solve the system by a Grobner basis computation. Having in mind cryptanalytic applications, we present an implementation of this strategy in an algorithm called MultiSolve which is designed for polynomial systems having at most one solution. We prove explicit formulas for its complexity which are based on probability distributions that can be easily estimated by performing the proposed preprocessing on a testset of evaluations for different subsets of variables. We prove that an optimal complexity of MultiSolve is achieved by using a full multistep strategy with a maximum number of steps and in turn the classical guess-and-determine strategy, which essentially is a strategy consisting of a single step, is the worst choice. Finally, we extensively study the behaviour of MultiSolve when performing an algebraic attack on the well-known stream cipher Trivium.


翻译:本文介绍了一个解决有限域上多元多项式方程组的猜测和确定或混合策略的多步推广。具体而言,我们建议通过逐步增加此等子集的大小来执行部分变量的穷举评估,即每次评估导致一个可能无法解决多项式系统时,可以加大此等子集。关于扩展的评估决策基于预处理,包括在当前评估之后计算不完全Groebner基础,该预处理可能会生成线性多项式,用于消除更多的变量。如果系统中剩余变量的数量仍然过高,则扩展评估并迭代预处理。否则,通过Groebner基础计算求解该系统。考虑到密码分析应用,我们在名为MultiSolve的算法中介绍了此策略的实现,该算法专为具有最多一个解的多项式系统而设计。我们证明其复杂度的显式公式基于概率分布,可通过对不同变量子集的测试集进行建议的预处理来轻松估计。我们证明使用最大步骤的完整多步策略以及反过来本质上是单步策略的经典猜测和确定策略可以实现MultiSolve的最佳复杂度,它本质上是最差的选择。最后,我们广泛研究了在流密码Trivium上执行代数攻击时MultipSolve的行为。

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