（计算机应用技术专业论文）无证书门限签名体制的研究.pdf

摘要 摘要 无证书公钥密码体制是新近提出的一类新型公钥密码体制。它不仅继承了基 于身份的密码体制不需要使用公钥证书的优点，同时较好地解决了基于身份的密 码体制所固有的密钥托管问题。这一特性使得无证书公钥密码体制从其提出开始 就引起了学术界广泛的关注。门限密码学的思想是将秘密信息( 如密钥) 和计算 ( 如产生签名或解密) 分发给群体成员，以避免单点失败或权力滥用所带来的影 响。门限签名作为门限密码学的一个重要分支，具有重要的应用价值。随着公钥 密码体制的发展，传统公钥体制和基于身份体制下的门限签名相继提出，但由于 其对应的公钥密码体制的固有缺陷，这些门限签名也必然会存在着一些问题。因 此，利用无证书公钥密码体制的优点，将无证书签名与门限技术结合起来构造新 的签名体制无证书门限签名体制正是本文所研究的课题。 本文主要对无证书体制下门限签名的相关问题进行了研究。首先，本文对已 有文献中的无证书门限签名方案进行了深入研究分析并详细列出了它们在安全 性和效率上所存在着的一些不足。接着，本文对已有的无证书签名方案的安全性 和效率进行深入分析比较，并挑选出了一个构造简单、安全性最强且效率较高的 方案来作为构造无证书门限签名的基石。 对于门限技术的应用，本文引入了可验证秘密分享协议来分享部分私钥，并 提出了一个新的分布式秘密值生成协议来生成秘密值，这不仅大大增强了方案的 鲁棒性更有效地保证了方案的可模拟性。 随后，本文结合目前已知的最强的无证书签名的安全模型，提出了新的更强 的无证书门限签名的安全模型。在该模型中，攻击者所拥有的能力远远高于已有 方案中攻击者所拥有的。同时，为了给出安全性的证明，本文建立了无证书门限 签名方案的可模拟性的概念，并对无证书门限签名的安全性和与其相关联的非门 限无证书签名的安全性之间的关系进行了证明。最后，我们基于新的安全模型将 可验证秘密分享协议和分布式秘密值生成协议引入无证书签名方案，构造出了一 个高效的可证安全的无证书门限签名方案。基于c d h 困难问题，可证明新方案在 适应性选择消息攻击下是存在性不可伪造的。同时，新方案在实现时效率较高， 而且其签名长度也远远短于已有的方案，因而具有较强的实用性。而在实际应用 中，新方案不仅像其他门限签名一样，在群体成员需要合作签名时应用广泛，而 且还具有这样一个特性，它可以很容易区分出签名是由群体成员按照门限的方式 所产生的，还是由群成员中拥有秘密签名密钥的单个成员单独产生的。这一特性 对于解决电子商务、电子政务等领域的一些实际问题非常有用。 i v 摘要 最后，在总结本文工作的前提下，我们提出了一些今后研究的方向。 关键词：无证书门限签名，无证书签名，可验证秘密分享，可模拟性，c d h 问 题，双线性对，随机预言模型 v a b s t r a c t a b s t r a c t a san e wp a r a d i g mo fp u b l i ck e yc r y p t o g r a p h y , c e r t i f i c a t e l e s sp u b l i ck e y c r y p t o g r a p h y ( c l p k cf o rs h o r t ) n o to n l yg e t sr i do ft h ec e r t i f i c a t em a n a g e m e n t p r o b l e mi nt r a d i t i o n a lp k cb u ta l s oe l i m i n a t e st h ek e ye s c r o wp r o b l e mi ni d p k c h e n c e i th a sr e c e i v e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o nf r o mt h es e c u r i t yr e s e a r c hc o m m u n i t y s i n c ei t si n v e n t i o n t h ei d e ao ft h r e s h o l dc r y p t o g r a p h yi st od i s t r i b u t et h es e c r e t i n f o r m a t i o n ( e g ，ap r i v a t ek e y ) a n dt h ec o m p u t a t i o n ( e g ，d e c r y p t i o no rs i g n a t u r e s i g n i n g ) a m o n g s t ag r o u po fp a r t i c i p a n t si no r d e rt op r e v e n tas i n g l ep o i n to ff a i l u r eo r a b u s e a sa l li m p o r t a n tp r i m i t i v ei ng r o u ps e c u r i t ya n dd i s t r i b u t e ds e t t i n g s ，t h r e s h o l d s i g n a t u r e sh a v e b e e ne x t e n s i v e l ys t u d i e di nt r a d i t i o n a lp k ca n di d - p k c w e b e l i e v e t h a ti ti sa l s ow o r t h w h i l et oi n v e s t i g a t et h ea p p l i c a t i o no ft h i sp r i m i t i v ei nc l - p k c t h e r e f o r e ，u t i l i z i n gt h ea d v a n t a g e so fc l p k c ，a n di n t e g r a t i n gt h r e s h o l dt e c h n i q u e w i t hi tt oc o n s t r u c tan e ws i g n a t u r ec r y p t o s y s t e m c e r t i f i c a t e l e s st h r e s h o l ds i g n a t u r e i sj u s tt h es u b j e c to fs t u d yi nt h i st h e s i s t h ef o c u so ft h i st h e s i si so ne m p l o y i n gt h ea d v a n t a g e so fc l - p k ct op r o v i d e s e c u r ea n de f f i c i e n ts o l u t i o n so ft h r e s h o l ds i g n a t u r e sf o rap r a c t i c a lu s e w ef n s td e l v e i n t ot h et w oe x i s t i n gc e r t i f i c a t e l e s st h r e s h o l ds i g n a t u r es c h e m e sa n dp o i n to u ts o m e s e c u r i t ya n de f f i c i e n c ys h o r t c o m i n g si nt h e m a f t e rt h a t ，w eg i v ei n - d e p t ha n a l y s i s a n dc o m p a r i s o nt ot h ee x i s t i n gc e r t i f i c a t e l e s ss i g n a t u r es c h e m e s ，a n dp i c ko u tas e c u r e a n de f f i c i e n to n ea st h ec o r n e r s t o n ef o rc o n s t r u c t i n gc e r t i f i c a t e l e s st h r e s h o l ds i g n a t u r e s c h e m e s i nc h a p t e r4 ，w ei n t r o d u c es e c u r ev e r i f i a b l es e c r e ts h a r i n gt os h a r et h ep a r t i a l p r i v a t ek e ya m o n gs i g n a t u r eg e n e r a t i o n s e r v e r s t h i sc a nh e l pt od e t e c tt h e m i s b e h a v i o r sd u r i n gt h es h a r i n gp h a s e t os h a r et h es e c r e tv a l u e ，w ea d v a n c ea n e w i n f o r m a t i o n t h e o r e t i cs e c u r ed i s t r i b u t e dk e yg e n e r a t i o np r o t o c o l ，a n dt h u sn os i n g l e p a r t yc a nh a v et h eg r o u p ss e c r e tv a l u e s u c ht e c h n i q u e sn o to n l yg r e a t l ye n h a n c e t h e r o b u s t n e s so fo u rs c h e m e ，b u ta l s oe n s u r et h es i m u l a t a b i l i t y s u b s e q u e n t l y , an e ws t r o n g e rs e c u r i t y m o d e lf o rc e r t i f i c a t e l e s st h r e s h o l d s i g n a t u r e si sp r e s e n t e d ，i nw h i c h t h ea d v e r s a r yh o l d sg r e a t e rp o w e rt h a nt h a ta s s u m e d i nt h es e c u r i t ym o d e l so fp r e v i o u sc e r t i f i c a t e l e s st h r e s h o l ds i g n a t u r es c h e m e s a n d t h e nw ep r e s e n ta l le l a b o r a t ed e s c r i p t i o no fag e n e r i cc e r t i f i c a t e l e s s ( t ，y ) t h r e s h o l d s i g n a t u r es c h e m eu n d e r t h en e w s e c u r i t ym o d e l f o rp r o v i n gt h es e c u r i t y , w ee s t a b l i s h i i t h es i i n u l a t a b i l i t yf o rc e r t i f i c a t e l e s s t h r e s h o l d s i g n a t u r es c h e m e s a n dp r o v et h e r e l a t i o n s l l i pb e t w e e nt h es e c u r i t yo fc e r t i f i c a t e l e s st h r e s h o l ds i g n a t u r es c h e m e sa n d t h a to ft h eu n d e r l y i n gn o n t h r e s h o l dc e r t i f i c a t e l e s ss i g n a t u r es c h e m e s f i n a l l y , w e p r e s e n tac o n c r e t e c e r t i f i c a t e l e s st h r e s h o l ds i g n a t u r es c h e m eb a s e d o nb i l i n e a r p a i r i n g su s i n g t h et e c h n i q u e so fv e r i f i a b l es e c r e t s h a r i n g a n dd i s t r i b u t e dk e y g e n e r a t i o n t h ep r o p o s e ds c h e m ei ss h o w nt ob ee x i s t e n t i a l l yu n f o r g e a b l ea g a i n s t a d a ：p t i r e l yc h o s e nm e s s a g ea t t a c k sa s s u m i n gt h eh a r d n e s so f t h ec d hp r o b l e m o u r s c h e m ei se f f i c i e n ta n do n l yh a sas i g n a t u r el e n g t ho ft w oe l e m e n t so fg lw h i c hi s m u c hs h o r t e rt h a nt h eo t h e rc e r t i f i c a t e l e s st h r e s h o l ds i g n a t u r es c h e m e s i np r a c t i c a l a p p l i c a t i 0 1 i s ，o u rn e ws c h e m en o to n l yh a sw i d e u t i l i z a t i o n sw h e r eag r o u po f m e m b e r sn e e dt oc o o p e r a t i v e l ys i g nam e s s a g eo i lb e h a l fo ft h ew h o l eg r o u pl i k e o t h e rt h r e s h o l ds i g n a t u r es c h e m e s ，b u ta l s oh a ss u c ha d i s t i n c t i v ep r o p e r t yt h a ti ti s e a s yt od i s t i n g u i s ha t h r e s h o l ds i g n a t u r ew i t has i g n a t u r eg e n e r a t e db yas i n g l ep a r t y w h op o s s e s s e st h es e c r e ts i g n i n gk e yo ft h eg r o u p i ti sv e r yu s e f u lt os o l v es o m e p r a c t i c a li s s u e si nt h ef i e l do fe - c o m m e r c e a n de 。g o v e r n m e n t 1 1 lt h ee n d ，u n d e rt h ep r e m i s eo fs u m m i n gu po u rw o r k , w es u g g e s ta n u m b e ro t d i r e c t i o n sf o rf u t u r er e s e a r c h k e yw o r d s ：c e r t i f i c a t e l e s st h r e s h o l ds i g n a t u r e ，c e r t i f i c a t e l e s ss i g n a t u r e ，v e r i f i a b l e s e c r e t s h a r i n g 。s i m u l a t a b i l i t y , c d hp r o b l e m , b i l i n e a rp a i r i n g ，r a n d o m o r a c l em o d e l i i i a c k n o w l e d g e m e m s a c k n o w l e d g e m e n t s f i r s to fa l l1w o u l dl i k et os i n c e r e l yt h a n km yp o s t g r a d u a t et u t o r , p r o f e s s o rz h a n g f u m i ，w h oi n t r o d u c e dm et ot h ea r e ao fc r y p t o g r a p h ya n dp r o v i d e dm ee x c e l l e n t g u i d a n c ea n dh e l pd u r i n gt h ep e r i o do f t h es t u d ya n dl i f e h i sp e r s o n a le x a m p l e sa n d w o r d so v e rt h ey e a r sm a d em eal i f e t i m eb e n e f i t ，a n da l s oh ec r e a t e daf r e e ，a c t i v e a c a d e m i cc l i m a t ei nw h i c hic a nl e a r na n dd os c i e n t i f i cr e s e a r c hi naf a v o r a b l e a t m o s p h e r e h e r eit a k et h i so p p o r t u n i t yt oe x p r e s sm yh e a r t f e l tt h a n k st oh i m w h a t sm o r e m o s to fm yr e s e a r c hh a sb e e nd o n e 、析t 1 1t h eh e l po fm a n yp e o p l e i me x t r e m e l yg r a t e f u lt om yc l a s s m a t e sg e n gm a n m a n , a n dz h uj u na n dt h a n k h u a n gx i n y i , m u 玩s u s i l ow i 砂a n dz h a n gl e if o rt h e i rv a l u a b l ed i s c u s s i o na n d s u g g e s t i o n s t h e n , m yt h a n k sw o u l dg ot om yb e l o v e df a m i l ya n df r i e n d sf o rb e i n gs u p p o r t i v e t h r o u g h o u tt h ec o u r s eo fm ys t u d y m yf a m i l yc a r e sf o rm ea n ds u p p o r t sm ei ns p i r i t m y f r i e n d sl i s t e nt om ea n dc o m f o r tm ed u r i n gt h ed i f f i c u l t yc o u r s eo ft h et h e s i s a tl a s t ，im u s tt h a n kt h en a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 6 0 6 7 3 0 7 0 ) a n dt h e n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fj i a n g s up r o v i n c e ( n o b k 2 0 0 6 217 ) f o rt h e s u p p o r tf r o mt h e m n a n j i n gj i a n g s u , p e o p l e sr e p u b l i co f c h i n a m a r c h ，2 0 1 0 y u a nh o n g p r e f a c e p r e f a c e i nm o d e ms o c i e t y , p e o p l ei n c r e a s i n g l yr e l yh e a v i l yo nt h eu s eo fi n t e r n e ta n dt h e c o m p u t e rt e c h n o l o g y t o c a r r yo u tt h ec o l l e c t i o n ，t r a n s m i s s i o na n dp r o c e s s i n go f v a r i e t i e so fi n f o r m a t i o n a n dh o wt op r o t e c to r rd a t ai nt h ep r o c e s so fs t o r a g e ， t r a n s m i s s i o na n dp r o c e s s i n gh a sb e c o m ea ni n c r e a s i n g l yu r g e n tp r o b l e m i nf a c t , c r y p t o g r a p h i ct e c h n i q u ei st h eo n l yk n o w np r a c t i c a la p p r o a c hw h i c hc a np r o t e c tt h e d a t at r a n s m i t t e dv i at e l e p h o n el i n e s ，c o m m u n i c a t i o ns a t e l l i t e s ，a n dm i c r o w a v e c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k ；i ns o m ec a s e s ，c r y p t o g r a p h i ct e c h n i q u em a yb et h em o s t e c o n o m i c a la p p r o a c ht op r o t e c tt h es t o r e dd a t a i nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n , w ea r e r e l y i n gm a i n l yo nc r y p t o g r a p h yt of u l f i l l d e m a n d sf o rt h ec o n f i d e n t i a l i t y , i n t e g r i t y , a u t h e n t i c a t i o na n da n t i r e p u d i a t i o no fi n f o r m a t i o n , a sw e l la st h es e c r e ta g r e e m e n t s t h u s ，c o r r e s p o n d i n g l y , w i t hr e g a r dt o t h es t u d yo fc r y p t o g r a p h yt h e r ea r et h r e e r e s e a r c ht o p i c s ，n a m e l y , e n c r y p t i o na n dd e c r y p t i o nt e c h n o l o g y , d i g i t a ls i g n a t u r e sa n d k e ya g r e e m e n t e n c r y p t i n gf i l e so n l yt os o l v et h ei s s u eo fc o n f i d e n t i a l i t yi ns e n d i n gm e s s a g e s ， a n dt h a th o wt op r e v e n to t h e r sf r o md a m a g i n gt h ef i l ei nt r a n s m i s s i o n ，h o wt o d e t e r m i n et h es e n d e r si d e n t i t y , a n dh o wt oe n s u r et h a tt h es e n d e rc a nn o td e n yh e h a v es e n tam e s s a g e ，a l s on e e dt ob eg u a r a n t e e d o n eo ft h em a i nt e c h n i q u e si nt h i s f i e l di sd i g i t a ls i g n a t u r e t h em a i nf u n c t i o n so fd i g i t a ls i g n a t u r e sa r et oe n s u r et h e i n t e g r i t yo fi n f o r m a t i o ni nt r a n s m i s s i o n ，t oi d e n t i f yt h e s e n d e r si d e n t i t ya n dt op r e v e n t t h er e p u d i a t i o ni nt r a n s a c t i o n d i g i t a ls i g n a t u r eh a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s ， e s p e c i a l l yi nt h ep r o t e c t i o no f t h es e c u r i t yo fe l e c t r o n i cd a t ai n t e r c h a n g e ( e d i ) ，w h i c h i sab r e a k t h r o u g h a l lt h o s ew h on e e dt oi d e n t i f yt h eu s e r si d e n t i t yc a l lm a k eu s eo f d i g i t a ls i g n a t u r e s ，s u c ha se n c r y p t i n gl e t t e r s ，b u s i n e s sl e t t e r s ，o r d e r - t o 。b u ys y s t e m ， r e m o t ef i n a n c i a lt r a n s a c t i o n s ，a u t o m a t i cm o d ep r o c e s s i n ga n dt h el i k e a tp r e s e n t , t h e d i g i t a ls i g n a t u r e sa r em a i n l yb a s e do nt h ep u b l i ck e yc r y p t o s y s t e ms u c ha sr s a s i g n a t u r e sa n de 1 g a m a ls i g n a t u r e s p u b l i ck e yc r y p t o g r a p h y ( a l s ok n o w na sa s y m m e t r i cc r y p t o g r a p h y ) a n dp r i v a t e k e yc r y p t o g r a p h y ( a l s ok n o w n a ss y m m e t r i cc r y p t o g r a p h y ) a r et h em a i nt w ok i n d so f c r y p t o s y s t e m s s y m m e t r i cc r y p t o g r a p h ya n dp u b l i ck e yc r y p t o g r a p h y a r eb o t hn e e d e d i ns e c u r ec o m m t m i c a t i o n s ，w h i l et h ed i f f e r e n c e l i e si nt h em a n a g e m e n ta n d d i s t r i b u t i o no ft h ek e y i ns y m m e t r i cc r y p t o s y s t e m s ，t h e r em u s tb ear e l i a b l em e a n st o v i p r e f a c e t e l lt h ee n c r y p t i o nk e y ( a l s oi st h ed e c r y p t i o nk e y ) t ot h ed e c r y p t i o np a r t y , w h i l ei nt h e p u b l i ck e yc r y p t o s y s t e m ，t h i si su n n e c e s s a r y d e c r y p t i o ns i d eo n l yn e e d st oe n s u r et h e c o n f i d e n t i a l i t yo ft h e i ro w np r i v a t ek e y s f o rt h ep u b l i ck e y , w h e t h e rt ot h ee n c r y p t i o n s i d eo rt ot h ec r y p t o g r a p h ya n a l y s t s ，i ti sp u b l i c ，s ot h e r ei sn on e e dt ou s ear e l i a b l e k e yd i s t r i b u t i o nc h a n n e lt od i s t r i b u t et h ek e y t h i sg r e a t l yr e d u c e st h ed i f f i c u l t yi nt h e k e ym a n a g e m e n ta n dk e y d i s t r i b u t i o n w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fn e t w o r k , r e q u i r e m e n t so fi n f o r m a t i o nc o n f i d e n t i a l i t yi n c r e a s i n g l yi m p r o v e d ，a n dt h ep u b l i ck e y c r y p t o g r a p h ya l g o r i t h m sd e m o n s t r a t ea na d v a n t a g et h a tt h es y m m e t r i cc r y p t o g r a p h i c a l g o r i t h m sc a nn o tr e p l a c e t h e r ea r em a i n l yt h r e et y p e so fp u b l i ck e yc r y p t o s y s t e m ： t h et r a d i t i o n a l p u b l i ck e yc r y p t o g r a p h y , i d e n t i t y - b a s e dp u b l i ck e yc r y p t o g r a p h y ( i d p k c ) ，a n dc e r t i f i c a t e l e s sp u b l i ck e yc r y p t o g r a p h y ( c l p k c ) c e r t i f i c a t e l e s s p u b l i ck e yc r y p t o g r a p h yw a sp r o p o s e db ya 1 一r i y a m i ，a n dp a t e r s o n 【1 i n2 0 0 3 ，w h i c h e f f e c t i v e l ys o l v ee s c r o wp r o b l e mw h i c hi si n h e r e n ti nt h ei d e n t i t y b a s e dc r y p t o g r a p h y , m e a n w h i l e ，i tm a i n t a i n st h ea d v a n t a g e so fn ou s eo fc e r t i f i c a t e si ni d e n t i t y b a s e d c r y p t o s y s t e m , t h e r e b yo v e r c o m e st h ea d d i t i o n a lo v e r h e a dw h i c hi sd u et ot h e c o m p l e x i t yo fc e r t i f i c a t em a n a g e m e n ti nt h et r a d i t i o n a lp u b l i ck e yc r y p t o s y s t e m s i m i l a rt ot h e i d e n t i t y b a s e dp u b l i ck e yc r y p t o s y s t e m ，c e r t i f i c a t e l e s sp u b l i ck e y c r y p t o g r a p h y , a l s on e e d sa t h j r dp a r t yt oh e l pt h eu s e rt og e n e r a t ep r i v a t ek e y s ，w h i c h w ec a l l e dk e yg e n e r a t i o nc e n t e r ( k g c ) d i f f e r e n tf r o mt h ep r i v a t ek e yg e n e r a t i o n ( p k g ) i ni d e n t i t y - b a s e dp u b l i ck e yc r y p t o s y s t e m , t h ek g cc a no n l yg e n e r a t et h e u s e r sp a r t i a lp r i v a t ek e y , w h i l et h eu s e r sa c t u a lp r i v a t ek e yw i l lh a v et ob ec o m p u t e d b yt h eu s e rf r o mas e c r e tv a l u er a n d o m l yg e n e r a t e db yh i m s e l fa n dt h ep a r t i a lp r i v a t e k e yt o g e t h e r t h i sw i l ln o to n l ye l i m i n a t et h ek e ye s c r o wp r o b l e mi ni d e n t i t y - b a s e d c r y p t o g r a p h y , b u ta l s oa v o i dt h ec o s t l yc e r t i f i c a t em a n a g e m e n ti s s u e si nt r a d i t i o n a l p u b l i ck e yc r y p t o s y s t e m j u s tb e c a u s eo ft h e s ea d v a n t a g e s ，c l - p k ch a sa r o u s e d w i d e s p r e a dc o n c e r ni nt h ea c a d e m i cc o m m u n i t ys i n c ei ti sp r o p o s e d t h u su n d e rt h e c e r t i f i c a t e l e s sp u b l i ck e yc r y p t o g r a p h yt os t u d yt h ed i g i t a ls i g n a t u r ew i l ln a t u r a l l y b e c o m ear e s e a r c hh o t s p o t i nc r y p t o g r a p h y , d u et ot h eo p e n n e s so fc r y p t o s y s t e m ，i t ss e c r e c yf u n c t i o nd o e s n o td e p e n do nt h ec o n f i d e n t i a l i t yo fc r y p t o s y s t e m ，b u tr e l i e sw i t ht h ec o n f i d e n t i a l i t y o ft h es e c r e tp a r a m e t e r su s e di nc r y p t o s y s t e m ，s ot h es e c r e c yo fs e c r e tk e y si s v e r y i m p o r t a n t i ft h es e c r e tk e yi sc o n t r o l l e db yo n ep e r s o n , o nt h eo n eh a n d ，o n c et h ek e y i sl o s t ，i tm e a r l st h er e c o n s t r u c t i o no fc r y p t o g r a p h y , w h i c hi sc o s t l y ；o nt h eo t h e rh a n d ， o n c eo n ep e r s o nw h o s ep o w e ro fm a s t e r i n gk e y si st o oc o n c e n t r a t e d ，i ti se a s yt ol e a k v i nt h i sw a y , t h r e s h o l dc r y p t o g r a p h yc o m e si n t ob e i n g t h ei d e ao f ( t ，n ) t h r e s h o l d c r y p t o g r a p h yi st od i s t r i b u t ec o n f i d e n t i a li n f o r m a t i o n ( s u c ha sk e y s ) a n dc a l c u l a t i o n s ( s u c ha sg e n e r a t i n