基于國產(chǎn)公鑰密碼算法的門限簽名及解密方案

廖會(huì)敏 王 棟 玄佳興 楊 珂 李麗麗

(國網(wǎng)電子商務(wù)有限公司(國網(wǎng)雄安金融科技集團(tuán)有限公司) 北京 100053)(國家電網(wǎng)有限公司電力金融與電子商務(wù)實(shí)驗(yàn)室 北京 100053)

0 引 言

公鑰密碼算法也稱為非對稱密碼算法，其密鑰對由公鑰和私鑰組成。已知私鑰可以推導(dǎo)出公鑰，但已知公鑰不能推導(dǎo)出私鑰，公鑰對外公開，私鑰由用戶自己秘密保存[1]。我國的公鑰密碼算法包括SM2橢圓曲線公鑰密碼算法[2](Elliptic Curve Cryptography，ECC)和SM9標(biāo)識(shí)密碼算法(Identity-Based Cryptography，IBC)[3-4]。2018年11月，SM2/SM9算法正式成為ISO/IEC國際標(biāo)準(zhǔn)，納入國際標(biāo)準(zhǔn)算法并發(fā)布，標(biāo)志著我國密碼算法國際標(biāo)準(zhǔn)體系已初步成形，為有效保障網(wǎng)絡(luò)空間安全貢獻(xiàn)了中國智慧，提供了中國方案。

基于公鑰密碼學(xué)的數(shù)字簽名和加解密技術(shù)已在移動(dòng)支付、身份認(rèn)證、電子簽名等場景中得到了廣泛的應(yīng)用，成為保證網(wǎng)絡(luò)信息安全的重要手段。門限密碼學(xué)的基礎(chǔ)是秘密共享，一個(gè)門限秘密共享方案可以將一段秘密信息共享于幾個(gè)參與方之間，每一次秘密計(jì)算都需要多個(gè)參與方同意，從而提高算法安全性和健壯性[7]。隨著移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算的興起，門限密碼學(xué)的思想與智能終端對密鑰的安全存儲(chǔ)、安全計(jì)算的需求不謀而合，為了提高私鑰的安全性，現(xiàn)有方案中基于門限密碼學(xué)的思想提出了將用戶私鑰分割為幾份并分布存儲(chǔ)，以避免全部私鑰直接存儲(chǔ)在智能終端內(nèi)存中極易被攻擊者破解的風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[11]概述性地描述了SM2門限密碼算法；文獻(xiàn)[12]給出了SM2算法門限簽名及解密的方法；文獻(xiàn)[13-14]給出了SM9算法的門限簽名及解密的方法。但以上方案若在攻擊者同時(shí)攻擊兩方的情況下，其私鑰仍存在被竊取的可能性。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，提出一種以密碼機(jī)為輔助設(shè)備的基于國產(chǎn)公鑰密碼算法的門限簽名及解密方案，該方案具有以下優(yōu)點(diǎn):(1) 提出了一種SM2/SM9算法門限簽名及解密的私鑰分量的生成方法，以密碼機(jī)為輔助設(shè)備，在密碼機(jī)內(nèi)部生成私鑰分量或分割私鑰，其中一份私鑰分量直接存儲(chǔ)在服務(wù)端密碼機(jī)內(nèi)，外部獲得完整私鑰的可能性趨近于零;(2) 針對實(shí)際的應(yīng)用場景，密碼機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)的私鑰分量可以是固定的，也可以一個(gè)應(yīng)用對應(yīng)一個(gè)固定的私鑰分量，以應(yīng)對密碼機(jī)不能存儲(chǔ)海量私鑰分量的問題。

1 預(yù)備知識(shí)

1.1 基本定義

定義1素域Fp具有如下性質(zhì)：(1) 加法單位元是0，乘法單位元是1；(2) 域元素的加法是整數(shù)模p加法，即若a,b∈Fp，則a+b=(a+b)modp；(3) 域元素的乘法是整數(shù)模p乘法，即若a,b∈Fp，則a·b=(a·b)modp。

定義3設(shè)G和GT是階為素?cái)?shù)N的循環(huán)群,g是G的生成元,e:G×G→GT是雙線性映射，滿足以下性質(zhì)[15-16]：(1) 雙線性:對任意的P1,P2,Q1,Q2∈G,有e(P1+P2,Q1)=e(P1,Q1)·e(P2,Q1)，e(P1,Q1+Q2)=e(P1,Q1)·e(P1,Q2)；(2) 可計(jì)算性：存在有效的算法，對于任意的P,Q∈G，均可計(jì)算e(P,Q)。

1.2 SM2密碼算法描述

SM2算法的公開參數(shù)包括(q,n,E,G),其中:q是大素?cái)?shù)，E是定義在有限域Fq上的橢圓曲線，G=(xG,yG)是E上n階的基點(diǎn)。本文主要介紹SM2算法的密鑰生成、簽名算法和解密算法，有關(guān)SM2算法的詳細(xì)信息可參考文獻(xiàn)[17]。

1) 密鑰生成。SM2算法的密鑰生成過程如下：(1) 隨機(jī)選取密鑰d，且d∈[1,n-2]；(2) 計(jì)算P=[d]G，并將P作為公鑰公開，d作為私鑰保存。

2) SM2簽名算法。設(shè)待簽名的消息為M，為了獲取消息M的數(shù)字簽名(r,s)，簽名者應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下運(yùn)算步驟：

(1) 對待簽名消息M進(jìn)行簽名預(yù)處理，得到消息摘要e；

(2) 用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)k∈[1,n-1]；

(3) 計(jì)算橢圓曲線點(diǎn)(x1,y1)=[k]G；

(4) 計(jì)算r=(e+x1)modn，若r=0或r+k=n，則返回(3)；

(5) 計(jì)算s=((1+d)-1·(k-r·d))modn，若s=0,則返回(3)；

(6) 消息M的簽名數(shù)據(jù)為(r,s)。

3) SM2解密算法。設(shè)密文為C=C1‖C2‖C3，klen為密文C2的位長，為了對C進(jìn)行解密，解密者應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下運(yùn)算步驟：

(1) 將C1的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為橢圓曲線上的點(diǎn)，驗(yàn)證C1是否滿足橢圓曲線方程，若滿足則進(jìn)行下一步；

(2) 計(jì)算[d]C1=(x2,y2)，將坐標(biāo)(x2，y2)的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為比特串；

(3) 計(jì)算t=KDF(x2‖y2,klen)，若t為0，則報(bào)錯(cuò)退出；

(4) 計(jì)算M′=C2⊕t；

(5) 計(jì)算u=Hash(x2‖M′‖y2)，若u≠C3，則報(bào)錯(cuò)退出；

(6) 輸出明文M′。

1.3 SM9密碼算法描述

SM9算法的公開參數(shù)包括(cid,N,k,P1,P2，eid),其中:cid是曲線識(shí)別符，N是循環(huán)群G1、G2和GT的階，k是曲線E(Fq)相對于N的嵌入次數(shù)，P1是G1的生成元，P2是G2的生成元，eid是雙線性對e的識(shí)別符。本文主要介紹SM9算法的密鑰生成、簽名算法和解密算法，有關(guān)SM9算法的詳細(xì)信息可參考文獻(xiàn)[18]。

1) 密鑰生成。SM9標(biāo)識(shí)算法的密鑰包含用戶的ID和私鑰，該私鑰由密鑰生成中心(Key generation center,KGC)通過主私鑰和用戶的標(biāo)識(shí)結(jié)合產(chǎn)生。

KGC產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)ks∈[1,N-1]作為主私鑰，計(jì)算G1中的元素Ppub=[ks]P1作為加密主公鑰，則主密鑰對為(ks,Ppub)，KGC保存ks，公開Ppub。

KGC選擇并公開用一個(gè)字節(jié)表示的私鑰生成函數(shù)識(shí)別符hid，然后KGC在有限域FN上計(jì)算t1=H1(ID‖hid,N)+ks，計(jì)算t2=ks·t1-1，計(jì)算d=[t2]P2，即用戶ID的私鑰為d。

2) SM9簽名算法。設(shè)待簽名的消息為比特串M,為了獲取消息M的數(shù)字簽名(h,s),簽名者應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下運(yùn)算步驟:

(1) 計(jì)算群GT中的元素g=e(P1,Ppub);

(2) 產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)r∈[1,N-1];

(3) 計(jì)算群GT中的元素w=gr,將w的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為比特串;

(4) 計(jì)算整數(shù)h=H2(M‖w,N);

(5) 計(jì)算整數(shù)l=(r-h)modN,若l=0則返回(2);

(6) 計(jì)算群GT中的元素s=[l]d;

(7) 將h和s的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為字節(jié)串,消息的簽名為(h,s)。

3) SM9解密算法。設(shè)密文為C=C1‖C2‖C3，mlen為密文C的位長，K1_len為對稱密碼算法中K1的比特長度，K2_len為函數(shù)MAC(K2,Z)中密鑰K2的比特長度。為了對C進(jìn)行解密，解密者應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下運(yùn)算步驟：

(1) 將C1的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為橢圓曲線上的點(diǎn)，驗(yàn)證C1∈G1是否成立，若不成立則報(bào)錯(cuò)并退出；

(2) 計(jì)算群GT中的元素w′=e(C1,dB)，將w′的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為比特串；

(6) 輸出明文M′。

2 SM2算法門限方案

SM2算法的門限方案包括SM2門限簽名和門限解密。

2.1 SM2門限簽名

2) 門限簽名。設(shè)待簽名的消息為M，門限簽名的過程如下：

(1) 客戶端對待簽名消息M進(jìn)行簽名預(yù)處理，得到消息摘要e，產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)k1∈[1,n-1]，計(jì)算w1=[k1]G；

(2) 客戶端把e、w1發(fā)送給服務(wù)端；

(3) 服務(wù)端密碼機(jī)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)k2∈[1,n-1]，計(jì)算w2=[k2]G；

(4) 服務(wù)端密碼機(jī)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)k3∈[1,n-1]，計(jì)算(a1,b1)=[k3]w1+w2，計(jì)算r′=a1+emodn；

(5) 服務(wù)端判斷若r′不等于0，則計(jì)算s2=d2·k3，計(jì)算s22=d2·(r′+k2)；

(6) 服務(wù)端將r′、s2和s22發(fā)送給客戶端；

(7) 客戶端計(jì)算s′=((d1·k1)·s2+d1·s22-r′)modn；

(8) 若s′不等于0且不等于n-r′，客戶端將(r′,s′)作為完整的簽名結(jié)果輸出。

2.2 SM2門限解密

1) 密鑰生成。客戶端和服務(wù)端密碼機(jī)分別生成隨機(jī)數(shù)d1和d2，且有d1,d2∈[1,n-1]，客戶端計(jì)算P1=[d1]G，將P1發(fā)送給服務(wù)端。服務(wù)端密碼機(jī)接收服務(wù)端傳送的P1，并計(jì)算計(jì)算P=P1+[d2]G，將P作為公鑰公開。

2) 門限解密。設(shè)待簽名的消息為M，門限解密的過程如下(這里只對1.2節(jié)中SM2算法解密過程的步驟(1)-步驟(2)進(jìn)行擴(kuò)展，其他步驟未用到門限解密的操作)：

(1) 客戶端計(jì)算v1=[d1]C1；

(2) 服務(wù)端密碼機(jī)計(jì)算v2=[d2]C1，并將v2的值發(fā)送給客戶端；

3 SM9算法門限方案

SM9算法的門限方案包括SM9算法的門限簽名和門限解密。

3.1 SM9門限簽名

1) 密鑰生成。服務(wù)端密鑰生成中心KGC(本文方案中KGC指服務(wù)端密碼機(jī))生成隨機(jī)數(shù)a，計(jì)算私鑰分量d1=[a·t2]P1并發(fā)送給客戶端，計(jì)算私鑰分量d2=a-1modN并直接存儲(chǔ)在密碼機(jī)內(nèi)作為服務(wù)端私鑰分量，銷毀d1。

2) 門限簽名。設(shè)待簽名的消息為M，門限簽名的過程如下：

(1) 服務(wù)端密碼機(jī)計(jì)算群GT中的元素g=e(P1,Ppub);

(2) 密碼機(jī)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)r∈[1,N-1];

(3) 密碼機(jī)計(jì)算群GT中的元素w=gr;

(4) 密碼機(jī)計(jì)算整數(shù)h′=H2(M‖w,N);

(5) 密碼機(jī)計(jì)算整數(shù)L=(r-h′)modN,若L=0則返回(2);

(6) 密碼機(jī)計(jì)算群GT中的元素s2=[L]d2,并通過服務(wù)端將h′和s2發(fā)送給客戶端;

(7) 客戶端計(jì)算s=d1·s2;

(8) 客戶端得到消息的簽名為(h′,s′)。

3.2 SM9門限解密

1) 密鑰生成。服務(wù)端密鑰生成中心KGC根據(jù)用戶的標(biāo)識(shí)ID、主私鑰產(chǎn)生用戶的私鑰d，密碼機(jī)隨機(jī)生成d1∈[1,d-1]，計(jì)算d2=d-d1，密碼機(jī)通過服務(wù)端將d1發(fā)送給客戶端作為客戶端私鑰分量，同時(shí)密碼機(jī)直接保存d2作為服務(wù)端的私鑰分量，然后銷毀d1。

2) 門限解密。為了對密文C進(jìn)行解密，客戶端和服務(wù)端需實(shí)現(xiàn)以下運(yùn)算步驟(這里只對1.3節(jié)中SM9算法解密過程的步驟(1)-步驟(2)進(jìn)行擴(kuò)展，其他步驟未用到門限解密的操作)：

(1) 客戶端將C1的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為橢圓曲線上的點(diǎn)，驗(yàn)證C1∈G1是否成立，若不成立則報(bào)錯(cuò)并退出；

4 方案安全性分析及應(yīng)用

4.1 私鑰安全性分析

本文方案中一份私鑰分量存儲(chǔ)在客戶端，一份私鑰分量存儲(chǔ)在服務(wù)端密碼機(jī)中。存儲(chǔ)在客戶端的私鑰分量由于采用軟件的存儲(chǔ)方式，存在被攻擊者竊取的可能。由于密碼機(jī)的特性，密碼機(jī)中的服務(wù)端私鑰分量被攻擊者竊取的可能性趨近于零，這樣即使客戶端的私鑰分量被竊取，攻擊者也無法獲得完整的私鑰，私鑰的安全性有保障。

4.2 抗隨機(jī)數(shù)攻擊

隨機(jī)數(shù)的生成和使用對SM2/SM9的簽名算法和解密算法的安全性起著關(guān)鍵性的作用，比如在標(biāo)準(zhǔn)SM2簽名算法中，在已知隨機(jī)數(shù)k和簽名(r,s)的情況下，則可通過如下操作推導(dǎo)(破解)私鑰d：

由s=((1+d)-1·(k-r·d))modn，得(1+d)·s=(k-r·d)modn，進(jìn)而(k+s)·d=(k-s)modn，因此d=(k+s)-1·(k-s)modn，私鑰d被破解。

本文方案中客戶端和服務(wù)端分別產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)k1、k2、k3，即便攻擊者在已知k1和簽名(r,s)的情況下(k2和k3由密碼機(jī)產(chǎn)生，攻擊者不可能破解)，攻擊者也不能推導(dǎo)出(破解)私鑰d。

4.3 方案的應(yīng)用

本文方案中公鑰密碼算法的私鑰分割成兩份后，分別存儲(chǔ)在智能終端客戶端和服務(wù)端密碼機(jī)中，由于密碼機(jī)的特性，服務(wù)端的私鑰分量不可能被破解，攻擊者不能獲得完整的私鑰，保證了私鑰的安全性。通過本方案開發(fā)的產(chǎn)品可以將軟件密碼模塊的形態(tài)應(yīng)用于智能終端，用于各種應(yīng)用場景的身份認(rèn)證、數(shù)字簽名、數(shù)據(jù)加解密等。

結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用場景，為了保證客戶端私鑰分量和門限簽名或門限解密過程的安全，采用下列方式對其進(jìn)行安全加固：

(1) 客戶端私鑰分量采用PIN碼、手勢驗(yàn)證碼等保護(hù)；

(2) 客戶端私鑰分量可以和智能終端硬件信息、ID等綁定；

(3) 服務(wù)端存儲(chǔ)客戶端私鑰分量的Hash值，在簽名或解密請求前，客戶端需先向服務(wù)端提交私鑰分量Hash值一致性驗(yàn)證，服務(wù)端對比客戶端私鑰分量的Hash值，待Hash值一致后再執(zhí)行簽名操作，這樣可以防止客戶端的私鑰分量被破壞仿冒；

(4) 門限簽名或門限解密的請求由服務(wù)端發(fā)起，防止客戶端攻擊。

在本文方案中，服務(wù)端私鑰分量存儲(chǔ)在服務(wù)端密碼機(jī)中，在實(shí)際應(yīng)用場景中服務(wù)端密碼機(jī)可能需要存儲(chǔ)大量用戶的服務(wù)端私鑰分量，由于密碼機(jī)的存儲(chǔ)空間有限，在本方案的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步將密碼機(jī)中的服務(wù)端私鑰分量固定，解決密碼機(jī)存儲(chǔ)限制和用戶海量私鑰分量的存儲(chǔ)。

5 結(jié) 語

公鑰密碼算法是現(xiàn)代密碼學(xué)的重要組成部分，SM2算法和SM9算法是我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的公鑰密碼算法。本文在門限密碼學(xué)的基礎(chǔ)上，以密碼機(jī)為輔助設(shè)備，提出了一種國產(chǎn)公鑰密碼算法的門限簽名及解密方案。該方案中，密碼算法私鑰的安全系數(shù)更高，更貼合實(shí)際的應(yīng)用場景。依據(jù)該方案開發(fā)的密碼模塊可以軟件的形態(tài)在移動(dòng)終端、物聯(lián)網(wǎng)智能終端中得到廣泛的應(yīng)用，用于解決網(wǎng)絡(luò)安全中的身份認(rèn)證、數(shù)字簽名、數(shù)據(jù)傳輸安全、隱私保護(hù)等問題。