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    基于代理的多方公平交換簽名方案

    2017-02-22 07:11:00任雙廷
    關(guān)鍵詞:約束力攻擊者參與者

    任雙廷,王 箭

    (南京航空航天大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210016)

    基于代理的多方公平交換簽名方案

    任雙廷,王 箭

    (南京航空航天大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210016)

    在公平交換方案中,允許兩個(gè)或者多個(gè)參與者以一種公平的方式進(jìn)行信息交換。所謂公平是指:所有參與者都能得到所要交換的信息,或者所有參與者都無(wú)法得到所要交換的信息。提出一種基于代理的多方公平交換簽名方案。在該方案中,參與者首先以一種公平的方式進(jìn)行授權(quán)交換,一旦授權(quán)交換成功,則每個(gè)參與者可以代表其他參與者對(duì)指定的文件進(jìn)行代理多簽名,從而公平地實(shí)現(xiàn)了多方公平交換簽名中每個(gè)參與者對(duì)其他參與者的約束,以及實(shí)現(xiàn)了多方公平交換簽名。相對(duì)于其他的多方公平交換方案,該方案的原理既可應(yīng)用于一對(duì)多類型的多方公平交換簽名方案,也可應(yīng)用于多對(duì)多類型的多方公平交換簽名方案。此外,該多簽名的公平交換并不依賴于可信或半可信的第三方,從而消除了公平交換簽名的應(yīng)用瓶頸。

    代理;多方公平;公平交換;授權(quán)

    1 概 述

    1996年,N.Asokan等首先對(duì)多方公平交換協(xié)議進(jìn)行了研究[1],此后,多方公平交換協(xié)議的研究受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景的不同,多方公平交換協(xié)議又可以分為兩類,即一對(duì)多的公平交換協(xié)議[2-6]和多對(duì)多的公平交換協(xié)議[7-13]。此外,多方公平交換協(xié)議和兩方公平交換協(xié)議比較類似,又可根據(jù)是否使用第三方分為三類,即不帶可信第三方的多方公平交換協(xié)議、在線可信第三方的公平交換協(xié)議以及離線可信第三方的公平交換協(xié)議。1996年,N.Asokan在原有兩方公平交換方案的基礎(chǔ)上再次給出了多方公平交換的概念[14],方案允許多個(gè)參與者公平地交換電子信息。與兩方公平交換協(xié)議類似:不帶可信第三方的多方公平交換協(xié)議難以實(shí)現(xiàn)真正的公平,而在使用第三方的多方公平交換協(xié)議中,協(xié)議的安全性又過(guò)于依賴可信第三方的安全性。一旦可信第三方出現(xiàn)安全問(wèn)題,整個(gè)協(xié)議都將失去其應(yīng)有的價(jià)值,也就是說(shuō),可信第三方的使用成為制約多方公平交換協(xié)議應(yīng)用的瓶頸[15-17]。針對(duì)這一問(wèn)題,又有一些學(xué)者提出了半可信第三方的概念[10-12],但仍然未能很好地解決可信第三方的問(wèn)題。

    代理簽名最早由Mambo等在1996年提出[18],是指:在一個(gè)簽名方案中,原始簽名人通過(guò)代理權(quán)限的授予,使得代理簽名人具有代表原始簽名人進(jìn)行簽名的權(quán)力,即,允許原始簽名人將自身的簽名權(quán)力委托給代理簽名人。有時(shí)人們需要一個(gè)代理人同時(shí)代表若干個(gè)原始簽名人進(jìn)行簽名,這就是代理多簽名體制[19-25]。

    文中提出一種基于代理的多方公平交換簽名協(xié)議。在該協(xié)議中,每個(gè)參與者首先與其他參與者交換他們的授權(quán),一旦授權(quán)交換成功,參與者就可以依據(jù)所獲得的授權(quán)進(jìn)行代理簽名,從而代替其他參與者對(duì)某一指定文件進(jìn)行代理多簽名。最終,每個(gè)參與者能得到對(duì)其他參與者具有約束效力的簽名。相對(duì)于已提出的公平交換簽名協(xié)議,所提方案不需要用到可信第三方,而且可以實(shí)現(xiàn)簽名的多方公平交換。

    2 前提知識(shí)

    2.1 符號(hào)介紹

    i:序號(hào)為i的參與者。

    PB:一個(gè)用于展示消息的公共平臺(tái),可以被看作如同網(wǎng)絡(luò)般的一個(gè)公共環(huán)境而不是可信第三方。

    Wij:由i制作的將要發(fā)送給j的授權(quán)。

    Vij:參與者i的一般簽名,j為i所發(fā)送授權(quán)的接收方。在這里,文中并沒(méi)有指定特殊的簽名方案,在實(shí)踐中,要求所選擇的簽名方案都能被參與者雙方所接受。

    EPK_abolish:用公鑰PK對(duì)某一數(shù)據(jù)進(jìn)行加密后得到的密文。在實(shí)踐中,所選擇的加密方案必須是參與者雙方都能夠接受的。

    PMVi:由i所制作的代理多簽名。文中并沒(méi)有給出確切的代理簽名方案,在實(shí)踐中,應(yīng)該由參與者共同協(xié)商決定。

    Vi_abolish:i所制作的一般簽名。

    2.2 假 設(shè)

    公平:在n個(gè)參與者中,要么所有參與者都能制作出對(duì)其他n-1個(gè)參與者具有約束力的代理多簽名;要么所有參與者都不能得到對(duì)其他參與者具有約束力的代理多簽名。

    3 基于授權(quán)的多方公平交換簽名方案

    3.1 簡(jiǎn) 述

    所提方案原理為:首先,每個(gè)參與者都制作n-1個(gè)授權(quán),并將它們發(fā)送給相應(yīng)的其他參與者,以期實(shí)現(xiàn)授權(quán)的多方公平交換。交換成功則執(zhí)行下一步,即,所有參與者使用來(lái)自其他參與者的授權(quán)代表其他參與者制作具有約束力的代理簽名;交換不成功,則所有參與者所得到的授權(quán)將在生效前被撤銷,任何人都無(wú)法據(jù)此得到對(duì)其他參與者具有約束力的代理多簽名,從而實(shí)現(xiàn)了簽名的多方公平交換。

    3.2 對(duì)授權(quán)的多方公平交換的分類

    由于所提方案是以授權(quán)的公平交換為基礎(chǔ)的,所以對(duì)授權(quán)的交換公平性及應(yīng)對(duì)方略進(jìn)行如下分類。

    (1)所有參與者都是誠(chéng)實(shí)的,則他們能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)授權(quán)的公平交換;

    (2)參與者中的某一個(gè)是不誠(chéng)實(shí)的,則所有參與者所得到的授權(quán)都將在生效前被撤銷;

    (3)多個(gè)參與者是不誠(chéng)實(shí)的,此種情況可以歸類到2當(dāng)中。

    從以上分類可知:如果所有參與者都能實(shí)現(xiàn)授權(quán)的公平交換,他們就可以使用得到的授權(quán)代表其他參與者制作具有約束效力的代理多簽名,否則,所有授權(quán)都將在生效前被撤銷,任何人都無(wú)法從中得到對(duì)其他人具有約束力的代理多簽名,從而達(dá)到公平交換簽名的效果。

    3.3 定 義

    該方案中具有兩類實(shí)體參與者i和公告牌PB。

    定義:該方案是一個(gè)元組(Init,Authorization,AuthorizationVerifying,ProxyMulti-Signature,Recovery)。

    (1)Init(初始化):算法輸入安全參數(shù)1k(k∈N),產(chǎn)生系統(tǒng)公共參數(shù)params。

    (2)Authorization(授權(quán)發(fā)送):參與者制作n-1個(gè)授權(quán)(Wi1,Vi1),…,(Wi(n-1),Vi(n-1)),并分發(fā)給其他相應(yīng)的參與者。

    (3)AuthorizationVerifying(授權(quán)驗(yàn)證):參與者對(duì)所有接收到的授權(quán)進(jìn)行驗(yàn)證,一旦出現(xiàn)驗(yàn)證不成立的情況,則分以下兩種情況進(jìn)行處理:還未發(fā)送自己制作的授權(quán),則終止協(xié)議;已發(fā)送自己制作的授權(quán),則啟動(dòng)恢復(fù)協(xié)議。

    (4)Recovery(恢復(fù)):算法發(fā)送警報(bào)消息到PB,撤銷所有已交換授權(quán)的有效性。

    (5)ProxyMulti-Signature(代理多簽名):每個(gè)參與者使用已得到的合法授權(quán)代表其他參與者行使簽名權(quán),產(chǎn)生對(duì)其他參與者具有約束效力的代理多簽名。

    3.4 簽名方案

    (1)Init(初始化):所有參與者協(xié)商確定時(shí)間參數(shù)TO,Tabolish,TE,Tabolish

    (2)Authorization(授權(quán)發(fā)送):序號(hào)為1的參與者制定n-1個(gè)授權(quán)(W12,V12),…,(W1n,V1n)并分發(fā)給相應(yīng)的參與者,W1j= (ID1,IDj,scope1,TO,TE,EPK_abolish, etc)。其中,EPK_abolish為用PK對(duì)Tabolish進(jìn)行加密后得到的密文。然后序號(hào)為1的參與者將所有制作的授權(quán)以及簽名分別發(fā)送給相應(yīng)的其他參與者。

    for(i=2,i<=n,i++)

    1→i:W1i,V1i

    此后,序號(hào)為2的參與者重復(fù)序號(hào)為1的參與者的操作,依此類推。

    (3)AuthorizationVerifying(授權(quán)驗(yàn)證)。每個(gè)接受者對(duì)已得到的授權(quán)進(jìn)行驗(yàn)證:在時(shí)間TO前,所有參與者都得到了來(lái)自其他參與者的合法授權(quán),則授權(quán)的公平交換過(guò)程結(jié)束。在時(shí)間TE后,每個(gè)參與者啟用代理多簽名算法:使用得到的授權(quán)代表其他n-1個(gè)參與者行使代理多簽名,從而每個(gè)參與者都得到了對(duì)其他n-1個(gè)參與者都具有約束效力的簽名(代理多簽名);一旦在時(shí)間TO后,有參與者沒(méi)能得到其本應(yīng)得到的所有合法授權(quán),則該參與者可啟動(dòng)恢復(fù)算法。

    (4)Recovery(恢復(fù)):在時(shí)間TE前對(duì)EPK_abolish進(jìn)行解密,得到Tabolish,并將其和自己的簽名一起發(fā)送給PB,從而在交換過(guò)程中產(chǎn)生的所有授權(quán)都被撤銷。任何人都不能再使用簽名所得到的授權(quán)行使代理簽名權(quán),也即任何人都無(wú)法得到對(duì)其他參與者具有約束效力的簽名(代理簽名)。

    (5)ProxyMulti-Signature(代理多簽名):超過(guò)時(shí)間TE后,每個(gè)參與者使用已得到的合法授權(quán)代表其他參與者行使簽名權(quán),產(chǎn)生對(duì)其他參與者具有約束效力的代理多簽名。

    for(j=1,j<=n,j++)

    doPMVj

    時(shí)間TE之后,PB不再接受任何來(lái)自該次代理多簽名活動(dòng)的警報(bào)信息。

    4 方案分析

    針對(duì)多方公平交換簽名的攻擊方式多種多樣,然而,不管攻擊者的攻擊方式多么變化多端,他們的目的卻是一致的,即在不付出代價(jià)的前提下,獲得來(lái)自對(duì)方的有效證據(jù)。

    文中假定PB和發(fā)起者之間可以在指定時(shí)間內(nèi)完成交互,并且PB和參與者之間是同步的。這個(gè)條件并不難達(dá)到,可以把實(shí)現(xiàn)這一條件作為發(fā)起多方公平交換簽名方案的必要條件。需要指出的是,在所提方案中,對(duì)于接收者不同步、系統(tǒng)錯(cuò)誤或者系統(tǒng)延遲等問(wèn)題都可以當(dāng)作一種欺騙手段來(lái)處理。

    插入攻擊:這種攻擊方式是指攻擊者在指定步驟內(nèi)退出系統(tǒng)。

    攻擊者接收到一個(gè)或者某幾個(gè)或者全部其他參與者的授權(quán)后即刻退出,拒不分發(fā)自己的授權(quán),從而導(dǎo)致了其他參與者在時(shí)間TO前無(wú)法獲得來(lái)自該參與者的任何證據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)規(guī)則,其他參與者可以通過(guò)恢復(fù)算法在時(shí)間TE前撤銷他們所發(fā)給攻擊者的授權(quán)。這些授權(quán)將在生效前被撤銷。

    攻擊者在接收完其他參與者的授權(quán),并分發(fā)自己對(duì)其他參與者的授權(quán)后,即刻推出系統(tǒng)。在這種情況下,攻擊者與所有其他參與者完成了授權(quán)的多方公平交換。

    延遲攻擊:攻擊者在接收到其他參與者的授權(quán)后并沒(méi)有在TO前分發(fā)授權(quán)給其他參與者,此類攻擊方式可歸類到插入攻擊方式中。最終,攻擊者無(wú)法獲得來(lái)自其他參與者的有效授權(quán)。

    錯(cuò)誤授權(quán):攻擊者發(fā)送錯(cuò)誤的授權(quán)給其他參與者,其他參與者可以在下一步前對(duì)接收到的授權(quán)進(jìn)行檢查,如果不是自己需要的就終止協(xié)議,或啟動(dòng)恢復(fù)算法。這種情況下,任何一方參與者都無(wú)法得到來(lái)自其他參與者的有效授權(quán)。

    虛假警報(bào):如果所有參與者在完成了授權(quán)的交換后,攻擊者仍然發(fā)送了警報(bào)消息,則所有參與者的授權(quán)都將被同時(shí)取消,從而所有參與者(包括攻擊者)都不能得到來(lái)自其他參與者的有效授權(quán)(在時(shí)間TE之前)。

    釣魚(yú)攻擊:在釣魚(yú)攻擊中,攻擊者將自己偽裝成某個(gè)原廠商的網(wǎng)站以期獲得敏感信息(如信用卡信息)。特別地,攻擊者可以偽裝成可信的接收者,從而在電子交易中獲得原廠商的某些敏感信息。為此,攻擊者會(huì)建立一個(gè)與接收者的網(wǎng)站類似的虛假在線網(wǎng)站,并邀請(qǐng)用戶在其網(wǎng)站上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物,從而獲得敏感信息。攻擊者可以利用這些敏感信息做一些有利于自身的活動(dòng),而不需經(jīng)過(guò)持有者的授權(quán)(這里指信用卡信息)。

    然而,文中所提方案是通過(guò)授權(quán)的多方公平交換來(lái)達(dá)到多方公平交換簽名的效果。在授權(quán)生效前,授權(quán)以及相應(yīng)的簽名會(huì)被驗(yàn)證,從而避免了上述攻擊情況的發(fā)生。

    糾紛解決可以被分為兩個(gè)方面:

    (1)某個(gè)或某些參與者聲稱接收到了某個(gè)消息,而其他參與者否認(rèn)發(fā)送了消息;

    (2)某個(gè)或某些參與者聲稱發(fā)送了某個(gè)消息,而其他參與者并不承認(rèn)接收到了該消息。

    在該方案中,如果無(wú)法得到有效的授權(quán),任何參與者都無(wú)法從該欺騙行為中得到利益。

    從以上討論可知,在交換結(jié)束后,要么參與者都能得到來(lái)自其他參與者的有效授權(quán),從而代表其他參與者制作一個(gè)對(duì)他們具有約束力的代理多簽名,要么參與者都無(wú)法得到來(lái)自其他參與者的有效授權(quán),都無(wú)法制作相應(yīng)的對(duì)其他參與者具有約束力的代理多簽名,從而達(dá)到了公平交換簽名的效果。

    5 比 較

    文中所提方案與當(dāng)前幾類多方公平交換簽名方案的比較見(jiàn)表1。

    表1 所提方案與幾類多方公平交換簽名方案的比較

    從以上對(duì)比可以看出:在線可信第三方的公平交換方案中,無(wú)論交易雙方是誠(chéng)實(shí)的還是不誠(chéng)實(shí)的,在公平交換過(guò)程中都需要可信第三方的參與;在離線可信第三方公平交換方案中,一旦交換過(guò)程中出現(xiàn)不公平現(xiàn)象,就必須要有可信第三方的參與。即,第三方的參與成為該種方案的一個(gè)應(yīng)用瓶頸。而所提方案,無(wú)論在交換過(guò)程中是否有不公平現(xiàn)象出現(xiàn),都無(wú)需可信第三方的參與,參與方本身即可實(shí)現(xiàn)交換的最終公平性。因此,相對(duì)于前面的方案,所提方案消除了可信第三方必須參與的瓶頸,具有更廣闊的應(yīng)用前景。

    需要指出的是,雖然無(wú)可信第三方的多方公平交換簽名方案不需要可信第三方,但該類方案并不能實(shí)現(xiàn)真正的公平,實(shí)施時(shí)要求交換的參與者具有相同的計(jì)算能力。因此計(jì)算量大,不易于實(shí)踐,目前已經(jīng)不再是受關(guān)注對(duì)象。

    6 結(jié)束語(yǔ)

    通過(guò)對(duì)代理多簽名和授權(quán)技術(shù)的使用,提出了一種多方公平交換授權(quán)協(xié)議,并在此基礎(chǔ)上達(dá)到了多方公平交換簽名的效果。在該協(xié)議中,惡意行為不能給攻擊者帶來(lái)任何利益,而誠(chéng)實(shí)的參與者也不會(huì)遭受損失。協(xié)議允許參與者以一種公平的方式實(shí)現(xiàn)授權(quán)的相互交換,在此基礎(chǔ)上,通過(guò)制作基于所得授權(quán)的代理簽名,每個(gè)參與者都可以得到一個(gè)對(duì)其他參與者具有約束力的代理多簽名;否則,所有參與者都無(wú)法得到來(lái)自其他參與者的有效授權(quán),也就無(wú)法制作出對(duì)其他參與者具有約束力的有效代理多簽名。文中實(shí)現(xiàn)了簽名的多方公平交換,而無(wú)需用到可信第三方。然而,如何找到一個(gè)更有效的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)授權(quán)的撤銷(當(dāng)出現(xiàn)不公平時(shí))是未來(lái)工作的一個(gè)方面。

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    Proxy-based Multi-party Fair Exchange Signature Scheme

    REN Shuang-ting,WANG Jian

    (College of Computer Science and Technology,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016,China)

    A multi-party fair exchange protocol allows parties to exchange items in a fair way,which means that all of the parties obtain the other’s items or neither party does.A novel protocol for multi-party fair exchanging signature without a Trusted Third Party (TTP) is proposed.In this protocol,participants exchange their warrants firstly.Then,each participant is able to sign a proxy multi-signature on behalf of its opponents.Owing to the proxy multi-signature’s characteristics,the scheme achieves the desired effect of multi-party fair exchange of digital signatures.Besides,the principle of it can be used at both 1-to-n and n-to-n multi-party fair exchange signature protocols.Differing from existing fair exchange schemes,the scheme can be realized without the use of a TTP,which makes it more practical.

    proxy;fair multi-party;fair exchange;warrant

    2014-12-03

    2015-06-18

    時(shí)間:2017-01-04

    江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(CXZZ12_0161);中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金;江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目

    任雙廷(1988-),男,碩士生,研究方向?yàn)樾畔踩龋煌?箭,教授,研究方向?yàn)樾畔踩取?/p>

    http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170104.1017.002.html

    TP301

    A

    1673-629X(2017)01-0080-04

    10.3969/j.issn.1673-629X.2017.01.

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