后量子的基于身份认证密钥交换方案研究

This research studies lattice-based and identity-based authenticated key exchange (ID-AKE) schemes, which has important scientific values and practice values on ensuring communication security in the era of quantum computing. This research project focuses on designing generic lattice-based ID-AKE schemes and straightforward constructions which aim at providing authentication and key exchange by directly utilizing on lattice-based hard problems, and testing its efficiency from ideal lattices. In this research, we solve three key issues, relevant to designing more efficient ID-KEM（identity-based key encapsulation） schemes, designing more efficient DHKE-like（Diffie-Hellman key exchange）schemes and designing identity-based challenge-response signatures. We present related protocols examples，and construct its indistinguishability-based security models（random oracle model or standard model）. Accordingly, we propose general construction theories and methodologies about lattice-based ID-AKE schemes and its indistinguishability-based security models.

研究在格上构造基于身份的认证密钥交换（Identity-based Authenticated Key Exchange，ID-AKE）方案对于保障后量子时代的网络通信安全具有重要的科学意义和应用价值。本项目将从通用构造和直接构造基于格的ID-AKE方案两个方向开展研究；以在格上构造ID-AKE方案为研究主线，以理想格作为仿真和测试的环境；拟重点解决构造高效的ID-KEM（Identity-based key encapsulation）机制、高效的类DHKE（Diffie-Hellman Key Exchange）机制和基于身份的“挑战-应答”签名三个关键问题；提出相关方案实例，并构建相关方案的不可区分性安全证明模型（随机预言模型或标准模型）。在总结前面研究工作的基础上，提炼出基于格的ID-AKE方案及其可证明安全模型的一般性构造理论和方法。

随着后量子计算时代的逼近，网络通信安全将面临量子计算攻击的威胁，研究后量子的密钥交换（Authenticated Key Exchange，AKE）协议迫在眉睫。基于格（Lattice）的密码研究是抗量子计算攻击的重要研究方向之一。由于基于格的公钥基础设施（Public Key Infrastructure，PKI）尚未建立，基于身份密码作为PKI的重要补充，具有密钥管理简单和易于部署的优点。本项目面向后量子过渡时期的网络通信安全需求，研究基于格的身份基认证密钥交换协议（ID-AKE），提出了格上构造通用 ID-AKE 方案，以及直接构造的 ID-AKE 方案，并且构造了具体的协议实例；定义了ID-AKE 方案的不可区分性可证明安全模型，对提出的方案进行了规约证明，实现了方案的可证明安全性。此外，还研究了格密码、基于身份密码的相关密码学原语，如签密、代理签名、环签名和同态签名等，取得了较好的研究成果。本项目已发表学术论文9篇，其中，SCIE论文1篇，EI 论文5篇，计算机学会推荐A类中文期刊论文4篇；培养研究生4名。提出的ID-AKE 方案结构简单，具有较低计算和通信开销，易于实现，适用于资源受限设备，有望应用于工业物联网、智能家居、车联网等，实现智能设备的接入认证与抗量子攻击的保密通信。