无证书聚合签名技术及其在物联网中的应用研究

Aggregate signature is a hot research topic in the field of cryptography. It can compress any number of signatures to one signature, and simplify any number of signature verifications to one verification. Its biggest advantage lies in that it can simultaneously provide authentication, integrity and non-repudiation services for multiple messages and users at a lower cost of computation and communications. Its properties of compression and batch validation are widely used in the internet of things and greatly improve the efficiency of the system. Certificateless aggregate signature (CLAS) avoids the use of certificates and does not suffer from key escrow. So, the research on CLAS is of great theoretical and practical value. However, the study of CLAS is relatively weak, which is not conducive to the development of national information construction. We study the security model of CLAS, and the design method of lightweight CLAS and CLAS in the standard model and lattice-based CLAS, and we construct the cryptographic protocols in the Internet of Things based on the newly proposed CLAS schemes. We will summarize a general constructing method for lightweight CLAS, find a new design technology for CLAS in the standard model, and form a new theory for constructing batch authentication protocols, which provide efficient security technology for applications in the Internet of Things.

聚合签名是密码学研究热点，它能压缩任意多个用户的签名为一个签名，能简化任意多个签名的验证为一次验证，其最大的优势在于用较低的计算与通信成本同时给多个消息、多个用户提供认证性、完整性和不可否认性服务，其压缩和批量验证的特性在物联网中有广泛应用，可以大大提高系统执行效率。无证书聚合签名不需要公钥证书的支持，同时又没有密钥托管问题，所以对其研究更有理论意义和实际应用价值。然而目前对无证书聚合签名的研究较薄弱，这不利于国家信息化建设的开展。本课题主要研究无证书聚合签名的安全模型，轻量级、标准模型及基于格的无证书聚合签名方案的设计方法，以及利用新提出的无证书聚合签名方案构造物联网应用中的密码协议。本课题的研究将总结出一个构造轻量级无证书聚合签名方案的一般方法；找到一种在标准模型下设计无证书聚合签名方案的新技术；形成一套设计高效的批量认证协议的新理论，为物联网应用的发展提供高效的安全密码技术。

聚合签名是数字签名领域中的一种批处理和压缩技术，其最直接的优势在于大幅度缩减了计算与通信成本，提高了签名的验证与传输效率。无证书聚合签名不需要维护公钥证书，又不存在密钥托管问题，其特性很适合于物联网多种应用环境。本课题围绕无证书聚合签名的定义、敌手模型、设计思路、安全证明及在物联网中的应用等问题进行了深入研究，取得了一系列有创新和特色的研究成果。在无证书聚合签名方案的定义、敌手模型方面，提出了适合物联网应用环境的无证书聚合签名、多重签名、强指定验证者多重签名的形式化定义和安全模型，分析了几个典型的无证书聚合签名、多重签名的安全性，指出了这几个方案存在的安全缺陷。在无证书聚合签名方案的设计思路和安全证明方面，课题组研究了如何构造高效实用的无证书聚合签名和抵抗量子计算机攻击的签名方案。提出了若干安全、高效的无证书聚合签名、多重签名、无证书强指定验证者多重签名，并在随机预言机模型下证明了方案的安全性。在学习量子密码理论的基础之上，对量子密码中的身份认证、基于格的签名方案进行了较为深入的研究，首次提出了格上模糊身份签密的概念，并且构造了1个可以抵抗量子计算机攻击的模糊身份签密方案。在无证书聚合签名的应用方面，课题组成员提出了1个适用于车载网环境的安全高效的有序多重签名方案。构造了1个新的多服务器环境下多因子远程匿名认证密钥协商协议。本课题的科学意义在于提出了一套无证书聚合签名方案安全性的密码分析方法，总结出了设计无证书聚合签名方案的一般方法；形成了基于特殊签名技术构造高效的批量认证协议的新理论，为物联网健康发展提供了安全、高效的密码技术。