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随机预言机模型下基于身份的格基可链接环签名

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计算机科学与探索 2023年

作者：谢佳王露刘仕钊高军涛王保仓西安电子科技大学通信工程学院河南财经政法大学计算机与信息工程学院

作为一种简化的群签名，环签名没有管理员角色，不需要环成员之间合作；签名者仅需自己私钥和其他环成员公钥即可进行签名操作。因其天然的匿名性，环签名在匿名投票、电子货币和车联网等场景得到广泛应用。可链接环签名作为环签名概念... 详细信息

作为一种简化的群签名，环签名没有管理员角色，不需要环成员之间合作；签名者仅需自己私钥和其他环成员公钥即可进行签名操作。因其天然的匿名性，环签名在匿名投票、电子货币和车联网等场景得到广泛应用。可链接环签名作为环签名概念的一种变体，在保持了匿名性的同时还可验证两个签名是否来自同一签名者，从而有效解决举报系统中的恶意举报及区块链系统中的双重花费等问题，进而丰富了环签名的应用场景。文中提出一种基于身份的格基可链接环签名方案，采用G-陷门生成技术生成系统密钥，使用其改进后的陷门委派技术和原像采样算法提取用户私钥，利用双峰高斯分布下的拒绝采样技术生成签名。经安全分析，文中所提方案在随机预言机模型下满足无条件匿名性、不可伪造性和可链接性，安全性可规约至格上的小整数解(short integer solution， SIS)问题，与现有的方案相比，签名生成时间开销和签名验证时间开销都减少约50%。最后将本文方案和基于异或秘密共享算法结合，设计了电子投票协议，从而保证电子投票系统的隐私性和公正性。

关键词：可链接环签名格匿名性 G-陷门拒绝采样

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格上基于身份的可链接环签名方案

计算机应用研究 2022年第10期39卷 3130-3135页

作者：刘梦情汪学明贵州大学公共大数据国家重点实验室贵阳550025 贵州大学计算机科学与技术学院贵阳550025

为了抵抗量子算法的攻击和应对恶意签名者利用环签名技术的完全匿名性输出多个签名从而进行双重开销攻击这一缺陷,同时为了解决不必要的系统开销浪费问题,提出了一种新的格上基于身份的可链接环签名方案。该方案以格上近似最短向量问题... 详细信息

为了抵抗量子算法的攻击和应对恶意签名者利用环签名技术的完全匿名性输出多个签名从而进行双重开销攻击这一缺陷,同时为了解决不必要的系统开销浪费问题,提出了一种新的格上基于身份的可链接环签名方案。该方案以格上近似最短向量问题为安全基础,将该问题的求解归约于碰撞问题的求解,利用矩阵向量间的线性运算生成签名,同时结合了基于身份的密码技术。解决了系统开销浪费问题,不涉及陷门生成和高斯采样等复杂算法,提高了签名效率,降低了存储开销,并在随机预言模型下验证了方案满足完全匿名性和强存在不可伪造性。经分析,该方案是一个安全高效的环签名方案。

关键词：可链接环签名格基于身份的密码体制随机预言模型

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格上基于身份的可链接环签名的研究与设计

格上基于身份的可链接环签名的研究与设计

作者：夏菲菲河南理工大学

学位级别：硕士

近年来,随着区块链技术的蓬勃发展,区块链系统中交易双方的隐私安全引起社会各界的广泛关注,仅通过“伪匿名”的形式保护交易双方的隐私,无法实现完备的隐私保护需求。因此,如何更好的保证区块链上互不信任个体之间的协作与价值流转,更... 详细信息

近年来,随着区块链技术的蓬勃发展,区块链系统中交易双方的隐私安全引起社会各界的广泛关注,仅通过“伪匿名”的形式保护交易双方的隐私,无法实现完备的隐私保护需求。因此,如何更好的保证区块链上互不信任个体之间的协作与价值流转,更安全的进行敏感数据传输是当前亟待解决的难题。可链接环签名(Linkable Ring Signature,LRS)是一类特殊的环签名,对于不同的消息和公钥集合,可保证使用同一个私钥签署的两个或多个环签名无法通过链接算法的验证,能够满足区块链应用中的隐私保护需求,同时可避免双重花费问题的出现。尽管,近几年LRS的研究取得不断进展,但依然面临以下问题:第一,传统公钥基础设施(Public Key Infrastructure,PKI)框架下基于数论难题构造的LRS不能有效抵抗量子算法的攻击,同时具有复杂的公钥证书管理问题;第二,现有的格上LRS计算效率低下,通信代价较高;第三,格上基于身份的可链接环签名(Identity-Based Linkable Ring Signature,IBLRS)无法提供对用户访问权限的细粒度控制,且不能更好满足用户身份匿名性的需求。针对上述提到LRS存在的问题,本文开展格上LRS方案的研究工作,主要研究内容如下。(1)针对基于数论难题构造的LRS方案不能有效抵抗量子算法的攻击,同时无法避免复杂的用户公钥证书管理等问题,将基于身份的密码学引入LRS方案,利用原像抽样(Sample Pre)和拒绝采样(Rejection Sampling)等算法设计了格上IBLRS方案,并在随机谕言机模型(Random Oracle Model,ROM)下证明了该方案具备无条件匿名性、不可伪造性、可链接性。与现有类似方案相比,所提方案的用户密钥生成时间和签名验证时间均有所改善。实验结果表明,在100-bits安全水平下,该方案的密钥生成时间和签名验证时间相较于其他类似方案分别减少了约64.53%、38.21%。(2)针对现有的格上LRS方案的签名计算效率低下,通信和存储开销过大等问题,基于陷门生成(Trapdoor Generation)算法和拒绝采样(Rejection Sampling)等技术提出一个NTRU格上IBLRS方案,该方案的安全性可归约至NTRU格上的小整数解(NTRU-SIS)难题。与现有方案相比,本方案具有更小的公、私钥,当环成员数量较小(例如:N≤8)时,签名尺寸也有所优化。由于该方案仅涉及多项式环上的乘法和小整数模运算,签名同样具有较高的计算效率。实验结果表明,在80-bits安全水平下,该方案的签名生成和验证时间相较于其他类似方案分别减少了约44.951%、33.503%。(3)为了弥补格上IBLRS方案无法细粒度控制用户的访问权限,且不能更好的实现用户匿名性等不足,基于GPV陷门函数和拒绝采样(Rejection Sampling)等技术提出一个格上基于属性的可链接的环签名(Attributed-Based Linkable Ring Signature,ABLRS)方案。与IBLRS方案相比,由一系列属性表示用户身份,继而使用属性集管理用户的签名权限,具有更强的匿名性。此外,该方案可检测用户是否使用同一个私钥进行了两次或多次签名。与现有的类似方案相比,该方案具有较短的系统公钥、私钥。实验结果表明,在100-bits安全水平下,该方案的签名生成和验证效率分别提高了约58.82%、36.91%。图11幅,表25个,参考文献85篇。

关键词：可链接环签名格基于身份小整数解随机谕言机模型

基于非交互零知识证明的可链接环签名算法研究与设计

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基于非交互零知识证明的可链接环签名算法研究与设计

作者：毛雪纯杭州电子科技大学

学位级别：硕士

区块链定义了一种用于存储信息、执行交易和交易双方建立信任的方法.从安全角度来看,区块链是使用点对点覆盖网络来进行创建和维护的,并使用群计算和密码学保护其安全性.然而区块链提供的匿名性并不是真正的匿名,无法实现完备的隐私保护... 详细信息

区块链定义了一种用于存储信息、执行交易和交易双方建立信任的方法.从安全角度来看,区块链是使用点对点覆盖网络来进行创建和维护的,并使用群计算和密码学保护其安全性.然而区块链提供的匿名性并不是真正的匿名,无法实现完备的隐私保护性.在众多签名算法中,环签名能为签名者提供匿名性,是目前最重要和最有代表性的匿名签名方案之一.而可链接环签名不但具备环签名的特性,还可以防止双花攻击,因而受到了学者们的广泛关注.针对可链接环签名中签名消息不受保护的问题,本文基于非交互零知识证明(Non-Interactive Zero-Knowledge Proof,简称NIZK)协议,提出了两种不同类型的可链接环签名方案:1.基于离散对数难题,本文利用NIZK协议构建了一种新型可链接环签名方案pp＿LRS.在方案中,本文使用对称密钥环加密(Symmetric Keyring Encryption,简称SKE)方案来保护私钥,并使用NIZK协议来确保签名者不会泄露任何签名消息.安全性证明表明,本方案同时具备不可伪造性、可链接性及匿名性.此外,性能分析和仿真实验表明,本方案在保护了签名信息的情况下,并没有增加过多的时间开销和通信开销.最后,基于pp＿LRS,本文构建了匿名加密货币交易模型,并设计了一个前后端交互的转账程序.2.针对传统的可链接环签名不能抵抗量子攻击的问题,本文构建了一个格上基于身份的可链接环签名方案IL＿IBLRS,同时使用NIZK协议来保护签名信息.在签名阶段,通过使用单向抽样、拒绝抽样算法及参数复用等方法,本文在保证方案安全性的前提下,减少了抽样次数,使得计算效率进一步提高.随后,本文证明了IL＿IBLRS具备不可伪造性、可链接性及匿名性,并且其不可伪造性可归约到环小整数解(Ring Short Integer Solution,简称Ring-SIS)困难假设.另外,性能分析和仿真实验表明,IL＿IBLRS既保证了签名信息的安全性,又不会过多增加时间和通信开销,具有实际应用潜力.

关键词：区块链可链接环签名非交互零知识证明格密码隐私保护

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利用环上容错学习问题构造可链接环签名方案

计算机科学与探索 2020年第7期14卷 1164-1172页

作者：叶青王文博李莹莹秦攀科赵宗渠王永军河南理工大学计算机科学与技术学院河南焦作454000

针对格上可链接环签名方案中存在密钥较大、效率较低的问题,基于环上容错学习(RLWE)难题,依据"同态承诺→∑-协议→Fiat-Shamir转化"的技术路线,重新构造一个格上可链接环签名方案。首先构造一个基于RLWE难题的多项式环上的同态承诺方案... 详细信息

针对格上可链接环签名方案中存在密钥较大、效率较低的问题,基于环上容错学习(RLWE)难题,依据"同态承诺→∑-协议→Fiat-Shamir转化"的技术路线,重新构造一个格上可链接环签名方案。首先构造一个基于RLWE难题的多项式环上的同态承诺方案,然后基于承诺方案设计一个∑-协议,并利用Fiat-Shamir转化方法将该∑-协议转化为可链接环签名方案,最后基于该可链接环签名方案提出一个简易的数字货币模型。安全分析表明,由于所提方案基于RLWE困难问题构建,方案的安全性可规约至格上困难问题,抵抗量子计算机攻击。效率分析表明,与以往格上可链接环签名方案相比,由于方案中环元素取自小多项式,所提方案具有更短的密钥尺寸和更高的计算效率,且方案描述更简单。

关键词：承诺方案零知识证明环上容错学习问题(RLWE) 可链接环签名

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格上基于身份的可链接环签名

密码学报 2021年第2期8卷 232-247页

作者：汤永利夏菲菲叶青王永军张晓航河南理工大学计算机科学与技术学院焦作454003 河南工业和信息化职业学院焦作454000

可链接环签名是一类特殊的环签名,不仅具有环签名匿名性功能,还可以通过链接算法检测用户是否用同一个私钥完成了两次或多次环签名,能够在区块链应用中满足隐私保护的同时,防止用户出现双重花费问题.针对传统基于身份的可链接环签名不... 详细信息

可链接环签名是一类特殊的环签名,不仅具有环签名匿名性功能,还可以通过链接算法检测用户是否用同一个私钥完成了两次或多次环签名,能够在区块链应用中满足隐私保护的同时,防止用户出现双重花费问题.针对传统基于身份的可链接环签名不能抵抗量子攻击的问题,本文基于原像抽样和拒绝抽样技术构造了一个格上基于身份的可链接环签名方案.首先利用陷门生成算法获取系统主密钥;然后基于原像抽样算法生成用户的私钥,有效提升了用户密钥提取的效率;最后运用拒绝抽样技术生成用户的签名,使得签名生成的效率进一步提高.在随机谕言机模型下证明了本文方案具有无条件匿名性、不可伪造性以及可链接性.安全性分析表明,方案的不可伪造性可归约至小整数解(small integer solution,SIS)困难假设.性能分析表明,本文方案与现有基于格的可链接环签名方案相比,用户密钥生成和签名验证时间分别平均缩短约64.53%、38.21%.

关键词：可链接环签名格基于身份小整数解

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利用可链接环签名的电子现金支付方案

扬州大学学报（自然科学版） 2007年第2期10卷 54-56页

作者：孟纯煜殷新春宋春来扬州大学信息工程学院江苏扬州225009

利用可链接的环签名协议,设计了一种电子现金支付方案.欲在某商家消费电子现金的用户须事先在该商家注册形成用户团,这样便于管理,且用户消费时在合法的电子现金中加上一个环签名,从而实现重复花费的事前检测,降低了损失和纠纷.

关键词：可链接环签名电子现金支付重复花费

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环签名技术研究进展及展望

计算机科学与探索 2023年第5期17卷 985-1001页

作者：谢佳刘仕钊王露高军涛王保仓河南财经政法大学计算机与信息工程学院郑州450046 西安电子科技大学通信工程学院西安710071

环签名作为一种特殊的群签名,因其不仅可以在不需要环成员协作的情况下完成签名,还能保证签名者的匿名性这一特点,已被广泛应用在匿名投票、匿名存证以及匿名交易等领域。首先,以时间为主线,将环签名发展分为不同的阶段,在每个阶段内又... 详细信息

环签名作为一种特殊的群签名,因其不仅可以在不需要环成员协作的情况下完成签名,还能保证签名者的匿名性这一特点,已被广泛应用在匿名投票、匿名存证以及匿名交易等领域。首先,以时间为主线,将环签名发展分为不同的阶段,在每个阶段内又根据属性将环签名分为门限环签名、可链接环签名、可撤销匿名性的环签名、可否认的环签名等签名方案。通过对环签名发展历程的分析可知,环签名在门限环签名和可链接环签名领域的研究进展较为突出,其应用领域也最为广泛。在后量子时代,诸如基于大整数分解、离散对数等传统数论问题的密码方案已经不再安全,格公钥密码体制因其抗量子性、存在最坏实例到普通实例的规约等诸多优势成为后量子时代密码标准的最佳候选。因此,着重对现有基于格的门限环签名和基于格的可链接环签名进行了详尽的分析和效率比对。环签名天然的匿名特性使得其在产业区块链时代有着得天独厚的优势,因此将环签名在区块链中的几个应用进行了详细阐述。诸如对环签名在匿名投票、医疗数据共享、车联网领域的应用进行了概述和流程分析;又对环签名在虚拟货币、SIP云呼叫协议、Ad Hoc网络领域的应用意义进行了简单梳理。最后,对环签名技术近几年的研究进行分析,并总结了目前存在的问题。

关键词：格门限环签名可链接环签名匿名性

基于多变量公钥密码体制的环机密交易协议的研究与实例化

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基于多变量公钥密码体制的环机密交易协议的研究与实例化

作者：袁梦玲上海师范大学

学位级别：硕士

自从2008年中本聪提出比特币的概念以来,加密货币就进入了人们的视线中,这是一种利用密码学原理来保证交易安全性的去中心化的数字货币。经过十几年的研究发展,有许多参考比特币思想和原理的加密货币被提出,目前主流的加密货币有比特币... 详细信息

自从2008年中本聪提出比特币的概念以来,加密货币就进入了人们的视线中,这是一种利用密码学原理来保证交易安全性的去中心化的数字货币。经过十几年的研究发展,有许多参考比特币思想和原理的加密货币被提出,目前主流的加密货币有比特币、达世币、门罗币等。加密货币的特点是去中心化的交易和高度的匿名性,由于没有第三方监管,且交易过程都是匿名的,那么如何保护交易过程的安全性尤为重要。在门罗币中,保护交易过程的安全性是利用环机密交易协议来实现的,利用环机密交易协议可以隐藏交易中的实际金额,混淆交易支出者的实际支出,从而达到匿名、安全交易的目的。然而目前门罗币社区中使用的环机密交易协议是基于离散对数难题的,根据舒尔算法可知,量子计算机可以在多项式时间内解决离散对数难题。因此,一旦大规模的量子计算机问世,基于离散对数难题的环机密交易协议将不再安全,急需寻找可以抵抗量子计算机攻击的后量子密码方案。多变量公钥密码学是后量子密码的主要研究方向之一,其安全性是基于求解MQ问题的困难性,研究表明MQ问题是一个NP困难问题,即使是量子计算机也不能在多项式时间内解决。并且相较于其他后量子密码方案,基于多变量的签名方案所产生的签名较小,并且在其签名验证过程中计算速度快、所需计算资源少,具有很好的研究价值。本文根据环机密交易协议的特点,使用多变量环签名方案作为底层签名方案,设计了基于多变量的环机密交易协议。该协议利用多变量签名方案公钥的加法同态性实现了对交易金额的承诺,并对此承诺进行环签名,通过随机选择区块链中的用户公钥成环,来混淆交易中实际的交易参与者的身份。同时在交易产生过程中会利用交易者的私钥生成唯一一个密钥镜像,并让其参与签名生成过程,成为签名的一部分,通过比对此区块链是否存在相同的密钥镜像可以有效防止交易双花。相比于现有的后量子安全的格环机密交易协议,本文所提的方案的签名大小以及验证效率都更具有优势。上述所提的多变量环机密交易协议是基于通用的多变量环签名方案生成的,为了更好的应用于实际,本文利用Rainbow签名方案设计了Rainbow-Ring CT协议,并其选择了合适的参数对其进行实例化,以满足安全性需求。通过分析实例化后的方案可知,限制多变量方案应用的一个问题就是其密钥过大,为了解决这个问题,本文利用Cyclic Rainbow中的循环公钥的思想,将具有循环结构的矩阵插入公钥中,以此压缩公钥大小。此外,利用此方法压缩公钥后还可以加快签名验证过程。压缩后的公钥大小最多可以降低65.4%,签名验证过程最快可以优化59.6%。

关键词：多变量公钥密码学环机密交易协议可链接环签名 Rainbow Cyclic Rainbow