高效属性基签名方案的研究

摘要

数字签名技术是数字通信领域用于保护消息完整性和不可否认性的主要技术手段。基于属性密码体制作为基于身份密码体制的一种拓展，能用一组属性集代替用户的具体身份信息，从而实现一对多的细粒度访问控制机制，同时保护用户具体的身份隐私。属性基签名(Attribute-based Signature,ABS)同时继承了以上的优势，即签名者根据其属性集或签名策略来获得签名私钥，用户能对一个消息进行签名当且仅当其属性集满足某个签名策略。然而，在实际应用中，传统的单一授权机构ABS模型难以应对频繁的私钥分发请求，且系统过度依赖唯一的授权机构，由此会带来性能瓶颈和单点失效等问题。此外，在ABS的签名和验证算法中，普遍存在配对运算和较多的指数运算。对于网络中的资源限制设备来说，进行相关的配对和指数运算将需要大量的时间开销，不能满足实用性需求。多授权机构模型和服务器辅助计算技术为解决上述问题提供了新思路。针对上述的问题，以提升属性基签名系统的效率为目标，本文对多授权机构属性基签名和服务器辅助签名做了细致研究，并取得如下研究成果： 1).本文提出了多授权机构属性基签密(Multi-authority attribute-based Sign-cryption,MA-ABSC)协议，并证明了该协议的正确性、机密性和不可伪造性。此外，本文将所提出的MA-ABSC协议与其它几个相关的签密协议进行了功能和性能上的比较，突出了MA-ABSC协议不仅具有多授权机构的特点，还有较低的签密和解签密开销。最后，借助实验证明MA-ABSC协议的实用性。 2).本文还指出了Cui等SA-ABSR协议的安全缺陷，分析了其根本原因，提出了一种基于LSSS的访问策略的服务器辅助属性基签名(Server-aided attribute-based signature,SA-ABS)协议，随后证明了SA-ABS协议的正确性和不可伪造性。不仅如此，本文将该协议与相关的几个服务器辅助签名协议从功能属性、存储开销和计算开销等角度做了比较分析，说明了SA-ABS协议是第一种安全的、且能同时代理签名和验证的服务器辅助协议，并在签名和验证开销上具有优势。最后，基于移动设备进行了仿真实验，以检验SA-ABS协议在资源限制设备中的可用性。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 基于公钥数字签名技术

1.2.2 基于身份的公钥密码体制

1.2.3 基于属性的公钥密码体制

1.2.4 多授权机构的属性基签名

1.2.5 服务器辅助计算属性基签名

1.3 本文主要工作

1.4 本文结构

第二章 预备知识

2.1 椭圆曲线

2.1.1 实数域上的椭圆曲线

2.1.2 有限域上的椭圆曲线

2.2 双线性映射

2.3 困难性假设

2.3.1 椭圆曲线上的离散对数问题

2.3.2 判定双线性Diffle-Hellman (DBDH) 假设

2.3.3 计算性Diffle-Hellman (CDH) 假设

2.3.4 q-Diffle-Hellman (q-DHE) 假设

2.4 伪随机函数

2.5 访问结构

2.5.1 单调访问结构

2.5.2 门限访问结构

2.5.3 访问树结构

2.6 拉格朗日插值定理

2.7 线性秘密分享 (LSSS)

2.8 可证明安全理论

2.8.1 随机预言机模型

2.8.2 标准模型

2.8.3 数字签名协议的攻击类型

2.9 属性基签名

2.9.1 密钥策略属性基签名

2.9.2 签名策略属性基签名

2.10 属性基签密

2.11 本章小结

第三章 多授权机构属性基签密

3.1 引言

3.2 形式化定义及系统模型

3.2.1 系统模型

3.2.2 形式化定义

3.2.3 安全模型

3.3 方案具体构造

3.4 安全性分析

3.4.1 正确性

3.4.2 机密性

3.4.3 不可伪造性

3.5 性能分析

3.5.1 功能属性分析

3.5.2 存储开销分析

3.5.3 计算开销分析

3.5.4 仿真实验

3.6 本章小结

第四章 高效的服务器辅助属性基签名

4.1 引言

4.2 系统模型及形式化定义

4.2.1 系统模型

4.2.2 形式化定义

4.2.3 安全模型

4.3 Cui的SA-ABSR协议

4.3.1 SA-ABSR协议回顾

4.3.2 SA-ABSR的安全性分析

4.4 SA-ABS协议的具体构造

4.5 安全性分析

4.5.1 正确性

4.5.2 不可伪造性

4.5.3 匿名性

4.6 性能分析

4.6.1 功能属性分析

4.6.2 存储空间分析

4.6.3 计算开销分析

4.6.4 仿真实验

4.7 本章小结

第五章 结束语

5.1 全文总结

5.2 后续研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果