Luận Án Tiến Sĩ: Khám Phá Các Mô Hình Mới Trong Lĩnh Vực Chữ Ký Số

Luận án tiến sĩ nghiên cứu new paradigms in signature schemes, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý thuyết, đề xuất giải pháp khoa học cho vấn đề thực tiễn.

Trường đại học

Stanford University

Chuyên ngành

Computer Science

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

dissertation

2005

141
0
0

Phí lưu trữ

35 Point

Tóm tắt

I. Giới thiệu về chữ ký số và các mô hình mới

Chữ ký số là một công cụ quan trọng trong lĩnh vực bảo mật thông tin, đảm bảo tính xác thực và toàn vẹn của dữ liệu. Luận án tiến sĩ này tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển các mô hình chữ ký số mới, đặc biệt là các mô hình dựa trên công nghệ chữ ký số hiện đại. Các mô hình này không chỉ cải thiện độ an toàn mà còn tối ưu hóa hiệu suất và kích thước chữ ký. Một trong những đóng góp nổi bật là BLS short signature scheme, một mô hình chữ ký ngắn với độ dài chỉ 160 bit, đạt mức bảo mật tương đương với RSA 1024-bit.

1.1. Ứng dụng của chữ ký số

Ứng dụng chữ ký số rộng rãi trong các giao thức bảo mật cao cấp, từ xác thực thông điệp đến ký kết hợp đồng điện tử. Các mô hình mới như BGLS aggregate signatures cho phép kết hợp nhiều chữ ký từ nhiều người dùng khác nhau thành một chữ ký duy nhất, giúp giảm thiểu kích thước và tăng hiệu quả xác thực. Điều này đặc biệt hữu ích trong các hệ thống yêu cầu xác thực hàng loạt.

1.2. Tính pháp lý của chữ ký số

Tính pháp lý chữ ký số là một yếu tố quan trọng trong việc áp dụng rộng rãi công nghệ này. Các mô hình mới được đề xuất trong luận án không chỉ đảm bảo tính bảo mật mà còn tuân thủ các quy định chữ ký số hiện hành, giúp chữ ký số được công nhận và sử dụng trong các giao dịch pháp lý.

II. Các mô hình chữ ký số dựa trên bản đồ song tuyến tính

Các mô hình chữ ký số dựa trên bản đồ song tuyến tính (bilinear maps) đã chứng minh được hiệu quả vượt trội so với các phương pháp truyền thống. Luận án giới thiệu BLS short signature scheme, một mô hình chữ ký ngắn với độ dài chỉ 160 bit, đạt mức bảo mật tương đương với RSA 1024-bit. Ngoài ra, BGLS aggregate signatures cho phép kết hợp nhiều chữ ký thành một chữ ký duy nhất, giúp giảm thiểu kích thước và tăng hiệu quả xác thực.

2.1. BLS short signature scheme

BLS short signature scheme là một trong những mô hình chữ ký ngắn nhất hiện nay, với độ dài chỉ 160 bit. Mô hình này dựa trên bản đồ song tuyến tính và đạt mức bảo mật tương đương với RSA 1024-bit. Điều này làm cho BLS trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu chữ ký nhỏ gọn nhưng vẫn đảm bảo độ an toàn cao.

2.2. BGLS aggregate signatures

BGLS aggregate signatures cho phép kết hợp nhiều chữ ký từ nhiều người dùng khác nhau thành một chữ ký duy nhất. Điều này không chỉ giảm thiểu kích thước chữ ký mà còn tăng hiệu quả xác thực trong các hệ thống yêu cầu xác thực hàng loạt. Mô hình này dựa trên BLS short signature scheme và không yêu cầu sử dụng bản đồ song tuyến tính.

III. Bảo mật và các vấn đề mở trong chữ ký số

Luận án cũng đề cập đến các vấn đề bảo mật chữ ký số và các thách thức mở trong lĩnh vực này. Các mô hình mới như BBS group signaturesVLR group signatures đã giải quyết được một số vấn đề về bảo mật và hiệu suất, nhưng vẫn còn nhiều câu hỏi cần được nghiên cứu thêm. Đặc biệt, việc áp dụng bản đồ song tuyến tính trong các mô hình chữ ký số vẫn cần được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất cao hơn.

3.1. BBS group signatures

BBS group signatures là một mô hình chữ ký nhóm cung cấp tính ẩn danh cho người ký. Mô hình này cho phép bất kỳ thành viên nào trong nhóm ký thông điệp mà không tiết lộ danh tính của người ký. Chỉ có quản trị viên nhóm mới có thể truy vết chữ ký để xác định danh tính người ký. BBS group signatures có độ dài chỉ 1443 bit, ngắn hơn đáng kể so với các mô hình trước đây.

3.2. VLR group signatures

VLR group signatures là một mô hình chữ ký nhóm với cơ chế thu hồi mới, cho phép các thông báo thu hồi chỉ cần được xử lý bởi người xác thực. Mô hình này giúp giảm thiểu tải cho hệ thống và tăng hiệu quả bảo mật. Boneh-Shacham VLR group signature scheme là một ví dụ điển hình của mô hình này, với chữ ký ngắn hơn so với BBS group signatures.

21/02/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

NEW PARADIGMS IN SIGNATURE SCHEMES A DISSERTATION SUBMITTED TO THE DEPARTMENT OF COMPUTER SCIENCE AND THE COMMITTEE ON GRADUATE STUDIES OF STANFORD UNIVERSITY IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS FOR THE DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY Hovav Shacham December 2005 UMI Number: 3197508 INFORMATION TO USERS The quality of this reproduction is dependent upon the quality of the copy submitted. Broken or indistinct print, colored or poor quality illustrations and photographs, print bleed-through, substandard margins, and improper alignment can adversely affect reproduction. In the unlikely event that the author did not send a complete manuscript and there are missing pages, these will be noted. Also, if unauthorized copyright material had to be removed, a note will indicate the deletion.

® UMI UMI Microform 3197508 Copyright 2006 by ProQuest Information and Learning Company. All rights reserved. This microform edition is protected against unauthorized copying under Title 17, United States Code. ProQuest Information and Learning Company 300 North Zeeb Road P.

Box 1346 Ann Arbor, MI 48106-1346 © Copyright by Hovav Shacham 2006 All Rights Reserved 1 I certify that I have read this dissertation and that, in my opinion, it is fully adequate in scope and quality as a dissertation for the degree of Doctor of Philosophy. ẻ nA - Dan Boneh Principal Adviser I certify that I have read this dissertation and that, in my opinion, it is fully adequate in scope and quality as a dissertation for the degree of Doctor of Philosophy. đÁn Mitchell I certify that I have read this dissertation and that, in my opinion, it is fully adequate in scope and quality as a dissertation for the degree of Doctor of Philosophy. a al dy = Rajeev Motwani Approved for the University Committee on Graduate Studies.

11 Abstract Digital signatures provide authenticity and nonrepudiation. They are a standard crypto- graphic primitive with many applications in higher-level protocols. Groups featuring a com- putable bilinear map are particularly well suited for signature-related primitives. For some signature variants the only construction known uses bilinear maps.

Where constructions based on, e., RSA are known, bilinear-map-based constructions are simpler, more efficient, and yield shorter signatures. We describe several constructions that support this claim. First, we present the Boneh-Lynn-Shacham (BLS) short signature scheme. BLS signa- tures with 1024-bit security are 160 bits long, the shortest of any scheme based on standard assumptions.

Second, we present Boneh-Gentry-Lynn-Shacham (BGLS) aggregate signatures. In an aggregate signature scheme it is possible to combine n signatures on n distinct messages from n distinct users into a single aggregate that provides nonrepudiation for all of them. BGLS aggregates are 160 bits long, regardless of how many signatures are aggregated. No construction is known for aggregate signatures that does not employ bilinear maps.

BGLS aggregates give rise to verifiably encrypted signatures, a signature variant with applications in contract signing. we present Boneh-Boyen-Shacham (BBS) group signatures. Group signatures provide anonymity for signers. Any member of the group can sign messages, but the re- sulting signature keeps the signer’s identity secret.

Only the group manager can trace the signature, undoing its anonymity, using a special trapdoor. BBS group signatures are 1443 bits long, shorter than any previous scheme by an order of magnitude. The signing operation is also an order of magnitude more efficient than in previous schemes. Finally, we consider variants and extensions of the BBS group signature scheme, in- cluding a group signature with a novel revocation mechanism that we call verifier-local revocation (VLR).

In a VLR group signature, messages announcing the revocation of some 1V users need only be processed by the verifiers; the signers are stateless. We present the Boneh-Shacham VLR group signature scheme, which has signatures even shorter than in BBS. Acknowledgments This thesis is dedicated to Helen Vincent, Meraud Grant Ferguson, and the memory of Michael Gearin-Tosh. This thesis would have been impossible without the support and mentoring of my advisor, Dan Boneh and the Applied Crypto Group at Stanford.

I have had helpful discussions and received comments and suggestions from many people, a non-exhaustive list of whom includes: Paulo Barreto, Stefan Bechtold, Mihir Bellare, Alexandra Boldyreva, Xavier Boyen, Ernie Brickell, Jan Camenisch, Liqun Chen, Cynthia Dwork, Steven Galbraith, Stanistaw Jarecki, Craig Gentry, Eu-Jin Goh, Susan Hohenberger, Yoshi Kohno, Caroline Kudla, Anna Lysyanskaya, Ilva Mironov, Nagendra Modadugu, Moni Naor, Kenny Paterson, Samuel Pepys, Zulfikar Ramzan, Eric Rescorla, Leonid Reyzin, Victor Shoup, Alice Silverberg, Nigel Smart, Martijn Stam, and Brent Waters, as well as the anonymous referees who reviewed the papers that make up the thesis. I'd like to thank the Crom Contingent — Cullen Jennings, Nagendra Modadugu, Eric Rescorla, Terence Spies, and Steve and everyone at Flex-lt; and C. better halves Lisa Dusseault and Wendy Spies. | I would, finally, like to thank my friends Susan Rea, Joy Su, Mike Sawka, Rosina Lozano, and, especially, Nick Vossbrink — without whom this thesis would doubtless not have come out when it did.

vi Contents Abstract iv Acknowledgments vi 1 Introduction 1. 0 cv cv kg v v.v V v va (oN) 2 Mathematical Background HFoàe 2. 2 g gà ng kg kg va 2.2 The Bilinear Map. c c c eee eee T~OCD@ỉIo 2.

Quà va kg UY vi Và xa 2.2 Complexity ÄssumptÌiOn§S.1 '- Computational and Decisional co-Difie Hellman. The Strong Diffie-Hellman Assumption .3 The Decision Linear Diffie-Hellman Assumption .4 Implications of DDH Hardness on G; .3 Elliptic Curves and Bilinear Maps .1 Notation and Background .2 Intractability of co-CDH on (Gi,G2).3 Hashing onto elliptic curves. ee ee ee 2.5 The bad news.00002 2 ee vii 3 Short Signatures 17 3.2 Signature Security Delnitions.38 Short Signatures based on CDH.4 Short Signatures based on SDH.1 Proof of Security 6.2 A BB Variant Secure without Random Oracles. 29 Signature Variants and Extensions 30 4.

kg kg va 30 4.3 Multisignatures and Batch Signature Verifcatlon. HH gà kg 33 4.1 Aggregate Signature 2efinitions.2 Aggregate Signatures from Bilinear Maps.5 Verifiably Encrypted SignatUres.1 Verifiably Encrypted Signature Definitions. ch kg na 4.3 Verifiably Encrypted Signatures via Aggregation .4 Verifiably-Encrypted Signatures from Bilinear Maps .5 Proofs of Security .6 Observations on Verifiably Encrypted Signatures .6 Conclusions and Open Problems. eee ee eee BH) Sequential Aggregate Signatures from Trapdoor Permutations 56 5.

kg cv k k k v KV ky 06 5. ‹ c c c k HH nu cv cv ga cv cv v kg VN cv V kh kg 57 5.1 Trapdoor One-Way Permutations.2 Certified Trapdoor Permutatlons.3 Claw-Free Permutations, Homomorphic Trapdoor Permutatlons.4 Full-Domain Signatures 2.3 Sequential Aggregate Signatures 2.4 Sequential Aggregates from Trapdoor Permutations.v k kg k KV ổn.5 Aggregating with RSA.1 Concrete Proposals for Sequential Aggregates with RSA.2 A Zero-Knowledge Protocol for SDH .3 Short Group Signatures from SDH.4 BBS Group Signature Security ©. ee 93 7 Group Signature Variants and Extensions 94 7. gà gà KV xa 94 7.2 Strong Exculpability for BBS.3 Revocation for BBS using Accumulators .4 Verifier-Local Revocation.

cu cà kg k Na sa 99 7.2 Short VLR Group Signatures from SDH.4 Proof of Security. cạn g v kg kg va 109 7.5 Efficient Revocation for BS Signatures.7 Strong Exculpability for BS.5 Conclusions and Open Problems. 0055 0 0G 118 Bibliography 119 1X List of Tables 2.1 Suitable supersingular elliptic curves with &=Ö.2 Suitable MNT curves. Suitable Barreto-Naehrig curves Chapter 1 Introduction In a digital signature scheme, Alice uses her private key to sign a message of her choice.

This procedure creates a signature, a short string that binds Alice to the message and the message to her. Anyone who has Alice’s public key, the signature, and the message can verify that the signature is valid, i., was produced by Alice on the message at hand. No one but Alice can generate a signature on any message that verifies as valid under Alice’s public key. Digital signatures thus provide authenticity and integrity.

That is, a signature by Alice on a message demonstrates that it was Alice who signed (and, therefore, intended to send) that message; and that the message is exactly the message sent by Alice, and was not tampered with. In a legal setting, they are sometimes said to provide nonrepudiation; however, this term is not well defined [77]. Signatures are a standard cryptographic primitive with many applications in higher-level protocols. Groups featuring a computable bilinear map are particularly well suited for signature-related primitives.

For some signature variants the only construction known is based on bilinear maps. Where constructions based on, e., RSA are known, bilinear-map-based constructions are simpler, more efficient, and yield shorter signatures. In this thesis, we describe several constructions that support the claim above. First, we consider Boneh-Lynn-Shacham (BLS) and Boneh-Boyen short signatures.

INTRODUCTION 2 signatures with security comparable to 1024-bit RSA are 160 bits long, the shortest of any scheme based on standard assumptions. BB signatures can be as short as BLS or (in a variant with longer signatures) can be proved secure without random oracle. Next, we present several extension and variants of BLS signatures. Amongst these is the Boneh-Gentry-Lynn-Shacham (BGLS) aggregate signature scheme.

In an aggregate signature scheme, it is possible, given n signatures on n distinct messages from n distinct users, to aggregate all these signatures into a single short signature. This single aggregate suffices to convince a verifier that the the users did indeed sign their respective messages. BGLS aggregates are based on BLS signatures and are 160 bits long, regardless of how many signatures are aggregated. No construction is known for aggregate signatures that does not employ bilinear maps.

We also show that BGLS aggregates give rise to verifiably encrypted signatures, a sig- nature variant with applications in contract signing. In a digression, we show how one can construct sequential aggregate signatures based only on the existence of trapdoor permutations. Sequential aggregate signatures is variant of aggregate signatures in which signing-and-aggregation is a single operation, in which each signer adds her signature to the aggregate signature of all the signers before her. Next, we present the Boneh-Boyen-Shacham (BBS) group signature scheme.

Group signatures provide anonymity for signers. Any member of the group can sign messages, but the resulting signature keeps the identity of the signer secret. In some systems there is a third party that can trace the signature, or undo its anonymity, using a special trapdoor. BBS group signatures with security comparable to 1024-bit RSA are 1443 bits long, shorter than any previous scheme by an order of magnitude.

The signing operation is also an order of magnitude more efficient than in previous schemes. Finally, we consider variants and extensions of the BBS group signature scheme, in- cluding a group signature with a novel revocation mechanism that we call verifier-local revocation (VLR). In a VLR group signature, messages announcing the revocation of some users need only be processed by the verifiers; the signers are stateless. We present the Boneh-Shacham VLR group signature scheme, which has signatures even shorter than in BBS.1 Previous Publication The BLS short signature scheme of Section 3.3 and the notes on elliptic curve families in Section 2.3 originally appeared in “Short Signatures from the Weil Pairing,” joint work with Dan Boneh and Ben Lynn, of which an extended abstract was presented at Asiacrypt 2001 [27] and which appeared in the Journal of Cryptology [28|.

The BGLS aggregate signature scheme of Section 4.4 and the BGLS2 verifiably en- crypted signature scheme of Section 4.5 originally appeared in “Aggregate and Verifiably Encrypted Signatures from Bilinear Maps,” joint work with Dan Boneh, Craig Gentry, and Ben Lynn. which was presented at Eurocrypt 2003 [26]. The LMRS sequential aggregate signature scheme of Chapter 5 originally appeared in “Sequential Aggregate Signatures from Trapdoor Permutations,” joint work with Anna Lysyanskaya, Silvio Micali, and Leonid Reyzin, which was presented at Eurocrypt 2004 [79]. The BBS group signature scheme of Chapter 6, along with its extensions in Sections 7.3 originally appeared in “Short Group Signatures,” joint work with Xavier Boyen and Dan Boneh, which was presented at Crypto 2004 [24].

The BS group signature with verifier-local revocation of Section 7.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Luận Án Tiến Sĩ: Các Mô Hình Mới Trong Lĩnh Vực Chữ Ký Số là một nghiên cứu chuyên sâu về các phương pháp và mô hình tiên tiến trong lĩnh vực chữ ký số, một công nghệ quan trọng trong bảo mật thông tin và xác thực điện tử. Luận án không chỉ giới thiệu các mô hình mới mà còn phân tích hiệu quả, tính bảo mật và khả năng ứng dụng thực tiễn của chúng. Điều này mang lại lợi ích lớn cho các nhà nghiên cứu, chuyên gia công nghệ thông tin và những ai quan tâm đến an ninh mạng.

Để mở rộng kiến thức về các nghiên cứu liên quan, bạn có thể tham khảo Luận văn thạc sĩ xây dựng thuật toán trích xuất số phách trên phiếu trả lời trắc nghiệm của trường đại học phan thiết, nghiên cứu về các thuật toán ứng dụng trong xử lý dữ liệu. Ngoài ra, Luận văn đề xuất các giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả áp dụng cung cấp góc nhìn về cải tiến phương pháp nghiên cứu. Cuối cùng, 2 tóm tắt luận án tiến sĩ tiếng việt ncs nguyễn khắc tấn là tài liệu hữu ích để hiểu thêm về quy trình và kết quả nghiên cứu khoa học.