匿名性可撤銷的高效環(huán)簽名構(gòu)建

程小剛，郭 韌，陳永紅

（1.華僑大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 泉州362021；2.華僑大學(xué) 工商管理學(xué)院，福建 泉州362021）

0 引 言

環(huán)簽名［1］是指一群中任一用戶可在群成員中任選一個包含自己的子集，做出簽名，之后任何人可驗證此簽名的確由此子集中的某個人所簽署 （不可偽造性），但不能分辨出到底是誰簽的 （匿名性）。

環(huán)簽名最早的應(yīng)用是匿名消息發(fā)布，如一不愿透露身份的某組織高層可利用此機制向新聞界發(fā)布一個消息，記者們可驗證此消息的確是由某高層權(quán)威發(fā)布，但不能分辨出到底是哪一位，還可簡單實現(xiàn)指定驗證者簽名 （designated verifier signature，DVS），即簽名只能由發(fā)布方指定的驗證者才能驗證其合法性，其他人都不行，利用環(huán)簽名機制很容易實現(xiàn)DVS簽名，只要發(fā)布方發(fā)布一個包含自己和驗證方的環(huán)簽名即可，驗證方知道自己未簽署此消息，所以只可能是發(fā)布方簽署的，但外界對此簽名則分不清到底是兩人中誰簽的。

早期的環(huán)簽名方案效率較低，尤其是簽名大小通常是O（k），k是子集成員數(shù)目，即簽名大小線性依賴于子集的大小，這對大規(guī)模環(huán)簽名的應(yīng)用是個大問題；也有作者構(gòu)造了一個簽名大小為常數(shù)的環(huán)簽名方案，但其安全性基于ROM模型，而ROM模型近來又收到一些學(xué)者的批判；Chandran等構(gòu)建了在標(biāo)準(zhǔn)模型下安全的環(huán)簽名方案［2］，但其簽名大小為O（k1／2），效率較低；近來一些學(xué)者將基于身份的密碼技術(shù)用于環(huán)簽名構(gòu)建［3－7］，但這些基于身份的環(huán)簽名方案存在 “密鑰托管”的問題，即密鑰分發(fā)中心掌握所有人的密鑰，因而其可以冒充任一用戶進行環(huán)簽名，且一旦密鑰分發(fā)中心被黑客攻破，整個系統(tǒng)崩潰；也有學(xué)者提出了在標(biāo)準(zhǔn)模型下基于格的環(huán)簽名方案［8，9］，但簽名大小也依賴于環(huán)的大小，效率較低。

本文基于群結(jié)構(gòu)保持簽名 （structure preserving signa－ture，SPS）［10］與 Groth－Sahai證明系統(tǒng)［11］構(gòu)建了一個標(biāo)準(zhǔn)模型下安全、簽名大小為常數(shù)的環(huán)簽名方案，同以前的環(huán)簽名方案相比，增加了一個環(huán)管理員 （ring manager，RM）角色和一個用戶加入過程，解決了基于身份的環(huán)簽名中的“密鑰托管”問題；方案中簽名／驗證的效率較高，達(dá)到了“近似常量級”的計算效率，對于大的環(huán)來說效率遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)模型下的方案 （因大都線性依賴于環(huán)的大小）；由于RM角色的存在，環(huán)簽名的匿名性在出現(xiàn)爭議的情形下，可由RM來撤銷掉，找出真正的簽名者；構(gòu)建中采用了模塊化的密碼系統(tǒng)構(gòu)建思想，使得方案的安全性分析與驗證較為直接。黃大威等也構(gòu)建一個匿名性可撤銷的環(huán)簽名方案［12］，但其構(gòu)建是基于ROM模型的，而所提構(gòu)建是基于標(biāo)準(zhǔn)模型的。

1 定義與數(shù)學(xué)假設(shè)

下面我們給出匿名性可撤銷環(huán)簽名的定義與所用到的數(shù)學(xué)假設(shè)：

定義1 我們的環(huán)簽名方案由下列5個多項式時間算法構(gòu)成：

（1）Setup：RM根據(jù)給定的安全參數(shù)，生成環(huán)的主密鑰和公開參數(shù)PP；

（2）Join：RM和用戶之間執(zhí)行一交互協(xié)議，之后成員獲得證書和私鑰成為環(huán)成員 （可生成環(huán)簽名），RM更新相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并公布成員的公鑰，以接納此用戶成為環(huán)成員；

（3）Sign：環(huán)成員可任選環(huán)成員的一個子集R（包含其自身），利用R中成員的公鑰、環(huán)公開參數(shù)PP和其自身的證書與私鑰生成環(huán)簽名；

（4）Verify：任何人由PP及R的描述與R中成員的公鑰，可驗證某一環(huán)簽名是否合法 （即簽名由R中某成員生成，雖然不能判斷到底是誰）；

（5）Open：在出現(xiàn)爭議的情況下，RM可打開某合法的環(huán)簽名，找出真正的簽名者。

注意同一般的環(huán)簽名定義相比，我們的方案中有一管理員負(fù)責(zé)環(huán)成員的加入；但我們的方案維持了環(huán)簽名的核心概念：自主選擇的匿名性。

定義2 DLIN （decision linear）假設(shè)：在階為大素數(shù)p的群中，給定一個隨機的生成元g、（ga，gb，gac，gbd），其中a，b，c，d∈Z＊p是隨機的，分辨隨機元素T或T＝gc＋d是困難的。

定義3 SDH （strong Diffie－Hellman）假設(shè)，在階為大 素 數(shù) p 的 群 中， 給 定 （g，ga，ga2，…，gan）， 生 成（g1／（a＋c），c）是困難的。

定義4 SDP （simultaneous double pairing）假設(shè)：在對稱雙線性群 （G，GT）中，給定 （gz，gr，hz，hu）∈G，找到非 平 凡 的 （z，r，u）∈ G，滿 足e（gz，z）e（gr，r）＝ 1 且e（hz，z）e（hu，u）＝1是困難的。

注意DLIN假設(shè)是蘊含SDP假設(shè)的［13］。

2 工 具

（1）群結(jié)構(gòu)保持簽名

群結(jié)構(gòu)保持簽名 （SPS）指的是此種簽名方案中，簽名、公鑰、消息都是雙線性群中的元素，而對簽名的驗證只是驗證一些雙線性對乘積方程 （pairing product equation，PPE）是否成立。定義SPS簽名的目的在于其可與Groth－Sahai證明系統(tǒng)［11］很好的融合，來零知識證明我有一個簽名 （如某個CA頒發(fā)的證書），因而可用于許多需要匿名或隱私保護的場合。

近來Abe等提出一個十分高效 （簽名大小為O（1））的SPS方案［10］，安全性基于標(biāo)準(zhǔn)的DLIN假設(shè)。此SPS方案基于 TOT （tagged one－time）簽名和rSIG （RMA－secure）簽名方案：

Setup：生成TOT公私鑰對 （pkt，skt）和rSIG公私鑰對 （pkr，skr）；

Sign：對待簽消息msg，先選隨機的tag用TOT對msg簽名δt＝TOT.Sign （skt，msg，tag），在用rSIG對tag簽名δr＝rSIG.Sign （skr，tag），最后的簽名為δ＝ （tag，δt，δr）；

Verify：只要驗證簽名中的兩種簽名都是合法的即可。

TOT就是對某個消息簽名之前先生成一個隨機的標(biāo)簽（tag），再用此標(biāo)簽來對消息簽名，只要此標(biāo)簽只使用一次，那么此簽名方案是安全的；rSIG就是只要所簽的多是隨機消息，那么方案是安全的；上述SPS構(gòu)造就是先用TOT和一隨機標(biāo)簽對消息簽名，再用rSIG對標(biāo)簽進行簽名；基于DLIN假設(shè)Abe等構(gòu)造了常數(shù)大小的TOT和rSIG方案［10］，綜合起來就得到常數(shù)大小的SPS簽名。

（2）Groth－Sahai證明系統(tǒng)

Groth－Sahai證明系統(tǒng)是第一個標(biāo)準(zhǔn)模型下、高效的NIWI／NIZK證明系統(tǒng)，可用于證明一大類在雙線性群中的二次方程。其安全性可基于各種不同的數(shù)學(xué)假設(shè)如DLIN、SXDH和子群分辨等，這里我們介紹基于DLIN假設(shè)的實現(xiàn)。

首先要生成大素數(shù)階的雙線性群e：G×G→GT，并設(shè)置CRS（common reference string）為其中要對X∈G進行承諾的話，計算其中⊙表示向量中對應(yīng)元素相乘，能設(shè)置成兩種不同而又計算上 “不可分辨”的形式，而分別給出 “完全正確”和“證據(jù)不可分”的結(jié)果：在 “完全正確”的情況中，設(shè)置因而C是X的DLIN加密，可通過β1＝loggf1，β2＝loggf2進行解密得到唯一的那個X；而在 “證據(jù)不可分”情景下，設(shè)置成是線性獨立的，因而C是一個完全隱藏的承諾 （即X被完全隱藏）；而基于DLIN假設(shè)，這兩種情況 （兩個不同的）是計算不可分的。

要對Zp中的元素x進行承諾的話，計算C＝用同上面類似，ψ可被設(shè)置成兩種不同而又計算不可分的值以分別實現(xiàn) “完全正確”和 “證據(jù)不可分”。要實現(xiàn) “正確性”，是線性獨立的；要 “證據(jù)不可分”，設(shè)得到一個完全隱藏的承諾，因為此時不管x是多少，C都是1的DLIN加密。

要證明一些 “承諾”中的變量滿足一組二次方程，證明者要對每個方程生成一個NIWI／NIZK證明 （此證明可能包含多個群元素）。

對雙線性群中的PPE方程和 MEE （multi－exponential equation）方程，存在這樣的NIWI／NIZK證明，PPE就是

其中X1，…Xn∈G是變量，tT∈G，A1，…An∈G，aij∈Zp是常量。

而MEE方程是指

其中X1，…Xn∈G，y1，…ym∈Zp是變量，T，A1，…Am∈G和γij，b1，…bn∈Zp是常量

3 構(gòu) 建

下面是我們的環(huán)簽名的構(gòu)建：

（1）Setup：RM生成階為素數(shù)p的雙線性群e：G×G→GT，選隨機的x1，…，xn∈Zp，y1，…，yn∈Zp設(shè)置環(huán)公鑰rpk＝ ｛G1，…，Gn；H1，…，Hn｝＝ ｛gx1，…，gxn；hy1，…，hyn｝，RM 私鑰為rsk＝ ｛x1，…，xn；y1，…，yn｝；初始化成員列表User＿List＝；生成上述SPS簽名的公私鑰對，并發(fā)布對G1，…，Gn；H1，…，Hn的簽名；

（2）Join：RM與用戶i之間執(zhí)行一交互協(xié)議，具體可參見Groth［14］，之后用戶成為環(huán)中一員，RM得到其公鑰Vi，而成員得到私鑰si，滿足關(guān)系Vi＝gsi；GM添加 （Vi，Vxii）和（Vi，Vyii）到User＿List中去；

為提高簽名和驗證效率，RM同同時公布e（Gi，Vi）和e（Hi，Vi）值，這樣在簽名和驗證時就省去了此配對計算的工作量，而只需要2（k－1）次普通點乘即可（k是簽名時所選環(huán)的大?。?/p>

（3）Sign：設(shè)待簽名消息為m，成員i先計算δi（m）＝g1／（H（m）＋si），H 是一哈希函 數(shù)，再 從環(huán)中隨 機 選 一子集 R（包含其自身），計算：令然后用Groth－Sahai證明系統(tǒng)證明：

PK｛（Wg，Wh，Gi，Hi，Vi，δ）：e（g，Wg）e（Gi，Vi）＝Cg∧e（h，Wh）e（Hi，Vi）＝ Ch∧ Gi是 G1…Gn之 一 ∧ Hi是H1…Hn之一 ∧e（δ，gH（M）Vi）＝e（g，g）｝

其中實現(xiàn)Gi是G1，…，Gn之一的技巧是證明其知道Gi的SPS簽名 （類似證明Hi），上面的方程以及SPS簽名的驗證方程都是PPE方程，因而存在Groth－Sahai證明；

（5）Open：握有Groth－Sahai證明系統(tǒng) “證據(jù)”提取密鑰的RM可從一合法的環(huán)簽名中提取出承諾值中的成員公鑰Vi，從而找出真正的簽名者。

4 安全性

環(huán)簽名安全性一般包括兩個方面：匿名性與不可偽造性，下面來證明我們的方案滿足這兩種安全特性：

定理1 基于DLIN假設(shè)，上述環(huán)簽名方案滿足匿名性。

證明：上述環(huán)簽名主要是一NIZK證明，公開的是R，Cg，Ch不包含特定簽名者的信息，而包含簽名者的信息如Vi，Gi，Wg，Whδ等都以 “承諾值”的形式給出，因而是匿名的，相關(guān)的證明元素由Groth－Sahai證明系統(tǒng)的安全性（基于DLIN）也不會透露簽名者的信息，所以我們的方案是匿名的。

定理2 基于DLIN、SDH假設(shè)，上述環(huán)簽名方案滿足不可偽造性。

證明：由上述環(huán)簽名的構(gòu)造可見，在Groth－Sahai證明系統(tǒng)安全的前提下，要偽造簽名可分為兩種情況：一是用真正的證據(jù)Wi，而偽造簽名δ；二是偽造V，Wh，Wg使得但有e（Hi，V）e（h，Wh）＝Ch和e（Gi，V）e（g，Wg）＝Cg，下面來證明這兩種情況都是不可行的：

Case1：Wi用真的，此時要根據(jù)公鑰Vi來偽造Boneh－Boyen簽名δ，而根據(jù)BB簽名的安全性 （基于SDH假設(shè)），這是計算上不可行的；

Case2：偽造Vfake使得Vfake不是R中的一個公鑰，但有 e（G1，Vfake）e（g，）＝ Cg＝ e（G1，V1）e（g，）和e（H1，Vfake）e（h，）＝ Ch＝e（H1，V1）e（h，），其 中V1是R中第一個成員的公鑰，下面我們來證明基于DLIN假設(shè)，這是不可行的；假設(shè)存在A能找到這樣的V與Wh，Wg，我們顯示如何用A來解決SDP難題，而解決SDP難題就意味著解決DLIN（因SDP是有DLIN所蘊含的）難題。

給定SDP問題 （gz，gr，hz，hu）∈G，要找到 （z，r，u）∈G 滿足e（gz，z）·e（gr，r）＝1且e（hz，z）·e（hu，u）＝1；在上述環(huán)簽名方案中令G1＝gz，H1＝hz，g＝gr，h＝hu，利用A可找到滿足和顯 然 令是原SDP問題的解。

5 性能比較

在表1中我們比較了本文方案與現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)模型下的環(huán)簽名方案的效率。

表1中k表示的是簽名時環(huán)的大小，n表示所支持環(huán)成員的最大數(shù)目。因為在分析簽名／驗證復(fù)雜度時，通常只考慮比較耗時的配對運算與指數(shù)運算［4］，而群中的點乘運算由于耗時較少經(jīng)常被忽略，而本文方案簽名／驗證計算中與環(huán)大小k相關(guān)的運算是和 Wg＝等，都是點乘運算，其它的運算如配對、指數(shù)運算都是常數(shù)級別O（1）的，因而我們稱其復(fù)雜度為 “Almost O（1）”。

表1中的前3個方案是基于身份的環(huán)簽名方案，第4個不是基于身份的。顯然從表1可見本文方案的效率要優(yōu)于現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)模型下安全的環(huán)簽名方案 （包括基于或不基于身份的方案），尤其是當(dāng)環(huán)的大小k很大時，優(yōu)勢更加明顯，也即本文方案更適合環(huán)成員數(shù)目很多的場合。

表1 本文方案與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)模型下的環(huán)簽名方案的效率比較

6 結(jié)束語

本文基于SPS與Groth－Sahai證明系統(tǒng)，提出了一種新的匿名性可撤銷環(huán)簽名構(gòu)建方法，同以往的環(huán)簽名方案相比，一個不同是增加了一個環(huán)簽名員，且用戶成為環(huán)成員之前有一個加入過程，解決了基于身份的環(huán)簽名中的 “密鑰托管”問題，此外其效率較高，簽名大小為常數(shù)，且其安全性不依賴與ROM，而是基于標(biāo)準(zhǔn)模型的；且匿名性在必要是可由RM來撤銷。未來可能的一個研究方向是如何提高效率，尤其是雖然我們方案的簽名大小為常數(shù)，但具體數(shù)值較大 （由于采用的SPS簽名的大小較大），可進一步研究如何減小此具體數(shù)值。

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