CN102546173B - 基于证书的数字签名***及签名方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于证书的数字签名***，包括***参数设置模块、用户密钥产生模块、用户证书认证模块、签名模块和验证模块；***参数设置模块生成***主密钥和***公开参数，公开参数发送给其它模块；用户密钥产生模块生成各个用户的公钥和私钥对；用户证书认证模块对用户的身份和公钥进行签名，产生用户的证书并发送给签名模块；签名模块对消息进行签名并发送给验证模块；验证模块对签名模块产生的签名的有效性进行验证。此***可在保证安全性的前提下具有较小的计算代价和通信代价，提高***的运行效率；可降低基于证书的数字签名方法的计算代价和通信代价，提高基于证书的数字签名方法的运算效率。本发明还公开一种基于证书的数字签名方法。

Description

基于证书的数字签名***及签名方法

技术领域

本发明涉及网络安全的数字签名技术，特别是指一种安全高效的基于证书的数字签名***及数字签名方法。

背景技术

随着计算机网络以及通信技术的飞速发展，人类已逐步迈入信息化社会，数字化、网络化将成为全球信息化新的基础平台。在社会信息化进程中，互联网的发展极大地方便了人们的学习、工作和生活，计算机应用已经渗透到政治、经济、军事、科学文化和家庭生活等社会的各个领域。不知不觉中，信息成为了最重要的一种资源和财富，但是由于信息的传递、存储、处理等过程往往是在开放的通信网络上进行的，所以信息容易受到窃听、截取、修改、伪造、重放等各种攻击手段的威胁。

数字签名作为保障网络信息安全的手段之一，可以有效解决网络信息传输中伪造、抵赖、冒充和篡改问题，是实现电子安全交易的核心技术之一，在保证交易的安全性、真实性以及不可抵赖性等方面具有重要的作用，因而是信息安全核心技术之一，在密钥分配、电子银行、电子证券、电子商务和电子政务等领域均有重要的应用价值。

传统的数字签名体制是基于公钥基础设施的，采用的是证书的认证方式，通过权威认证机构(CA)所颁发的证书来实现用户公钥和身份信息的绑定，从而保证用户公钥的真实有效。证书管理包括证书的撤销、存储、更新等，需要很大的计算量和存储能力，特别是证书撤销问题。另外，传统的PKI技术还存在第三方询问问题。所谓第三方询问，是指第三方在使用某个用户的公钥前，需要向CA询问该用户的证书状态，以验证公钥的真实和有效性。这种方法耗费大量时间、空间和计算，一度成为公钥密码***发展的障碍。

为了简化数字证书的管理开销等问题，1984年Shamir首先提出了基于身份的密码体制的概念。基于身份的密码体制，不需要保存每个用户的公钥证书，也不需要有一个公共的文件来存储所有用户的公钥，每个用户的公钥都是由他的身份直接生成的，用户的身份可以是他的姓名、电话号码、身份证号码、通信地址或电子邮箱地址等，而用户的私钥则是由可信中心(PKG)统一产生。基于身份的密码体制虽然克服了传统公钥密码体制中存在的证书管理问题，但由于仍然需要一个可信中心来产生和发布用户的私钥，因而存在着固有的密钥托管问题，即可信中心知道任何用户的私钥，因而可以窃听任何用户的通信，进而可以解密任何用户的密文或者伪造任何用户的签名。

为了克服基于身份的密码体制中的密钥托管问题，Gentry于2003年在欧洲密码学会议上提出了一个新的公钥密码学的体制—基于证书的公钥密码体制(CBC:Certificate-based Cryptography)，该体制是将传统的公钥密码体制和基于身份的密码体制的优点结合起来，消除了高代价的证书验证过程，并且不存在密钥托管的隐患。基于证书的公钥密码体制中的证书具有传统公钥密码体制中证书的全部功能，并且在解密和签名过程中作为私钥的一部分，因而在加密和签名验证过程中不存在对证书状态的第三方询问。而且，在基于证书的公钥密码体制中，证书的发送不需要通过安全信道，不存在密钥分发的问题。虽然基于证书的数字签名方案的研究有所进展，但目前的基于证书的数字签名方法在安全强度、运行效率等方面或多或少存在一些问题和不足。

基于以上分析，本发明人针对现有的基于证书的数字签名方法进行研究改进，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种基于证书的数字签名***及签名方法，其在签名过程和验证过程中不使用传统的双线性对映射，在保证安全性的前提下具有较小的计算代价和通信代价，提高了***的运行效率。

本发明的另一目的，在于提供一种基于证书的数字签名***及签名方法，其可降低基于证书的数字签名方法的计算代价和通信代价，提高基于证书的数字签名方法的运算效率。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种基于证书的数字签名***，包括***参数设置模块、用户密钥产生模块、用户证书认证模块、签名模块和验证模块；

***参数设置模块，用于生成***主密钥和***公开参数，并将***主密钥发送给用户证书认证模块，将***公开参数发送给用户密钥产生模块、用户证书认证模块、签名模块和验证模块；

用户密钥产生模块，用于生成各个用户的公钥和私钥对，并将用户的公钥发送给用户证书认证模块和验证模块，将用户的私钥发送给签名模块；

用户证书认证模块，通过***参数设置模块发送的***主密钥和***公开参数，对用户的身份和公钥进行签名，产生用户的证书，并将用户的证书发送给签名模块；

签名模块，通过用户密钥产生模块发送的用户私钥和用户证书认证模块颁发的用户证书，对消息进行签名，并将产生的签名发送给验证模块；

验证模块，通过***参数设置模块发送的***公开参数和用户密钥产生模块发送的用户公钥，对签名模块产生的签名的有效性进行验证。

一种基于证书的数字签名方法，包括以下步骤：

A：设定***公开参数params和***的主密钥msk；

B：根据所述***公开参数params生成用户的公钥PK_ID和私钥usk_ID；

C：根据所述***公开参数params，用户的身份ID，***主密钥msk和用户的公钥PK_ID产生用户的证书Cert_ID；

D：根据用户的私钥usk_ID和用户的证书Cert_ID对消息m进行签名得到σ；

E：根据所述***公开参数params和用户的公钥PK_ID对消息m的签名σ的有效性进行验证。

上述步骤A具体包括：

A1：选取两个大素数p和q且满足q|p-1；

A2：随机选取的一个生成元g，选取一个抗碰撞的杂凑哈希函数H；

A3：随机选取x计算***主公钥y＝g^xmodp；

***公开参数params为＜p,q,g,y,H＞，***主密钥msk为x。

上述步骤A2中，所选的杂凑哈希函数H选用哈希函数MD-5、SHA-1、SHA-2或SHA-3。

上述步骤B具体包括：

B1：随机选取x_ID 作为用户的私钥usk_ID；

B2：计算作为用户的公钥。

上述步骤C具体包括：

C1：随机选取s计算W＝g^smodp；

C2：计算R＝s+xH(ID,PK_ID,W)modq，得到用户的证书Cert_ID＝＜W,R＞。

上述步骤D具体包括：

D1：随机选取r计算U＝g^rmodp；

D2：计算h₁＝H(m,PK_ID,U,W)和h₂＝H(m,ID,PK_ID,U,W)；

D3：计算z＝R+x_ID·h₁+r·h₂modq，得到消息m对应的签名为σ＝＜U,W,z＞。

上述步骤E具体包括：

E1：计算h₀＝H(ID,PK_ID,W)，h₁＝H(m,PK_ID,U,W)和h₂＝H(m,ID,PK_ID,U,W)；

E2：验证等式是否成立，若等式成立，则接受签名，否则，拒绝签名。

采用上述方案后，本发明在保证签名安全性的情况下，降低了签名方案的计算代价和通信代价，提高了签名服务器的处理效率，节省了签名服务器的运算资源，是一种新的安全高效的数字签名方法。

附图说明

图1是本发明基于证书的数字签名***示意图；

图2是本发明基于证书的数字签名方法的流程图；

图3是本发明应用于基于组件属性远程证明***的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，依照本发明基于证书的数字签名***包括***参数设置模块A、用户密钥产生模块B、用户证书认证模块C、签名模块D和验证模块E。

其中，***参数设置模块A用于生成***主密钥msk和***公开参数params，并将***主密钥msk发送给用户证书认证模块C，将***公开参数params分别发送给用户密钥产生模块B、用户证书认证模块C、签名模块D和验证模块E。

用户密钥产生模块B用于生成各个用户的公钥PK_ID和私钥usk_ID，并将用户的公钥PK_ID发送给用户证书认证模块C和验证模块E，将用户的私钥usk_ID发送给签名模块D。

用户证书认证模块C通过***参数设置模块A发送的***主密钥msk和***公开参数params，对合法用户的身份ID和公钥PK_ID进行签名，产生用户的证书Cert_ID，并将用户的证书Cert_ID发送给签名模块。

签名模块D通过用户密钥产生模块B发送的用户私钥usk_ID和用户证书认证模块C颁发的用户证书Cert_ID，对消息m进行签名，并将产生的签名σ发送给验证模块E。

验证模块E通过***参数设置模块A发送的***公开参数params和用户密钥产生模块B发送的用户公钥PK_ID，对签名模块D产生的签名σ的有效性进行验证。

下面将结合数字签名方法的流程图对该数字签名***中的各个模块的操作进行具体说明。

如图2所示，该***参数设置模块A执行以下步骤：

A1：选取两个大素数p和q且满足q|p-1，其中p为1024位的整数，q为160位的整数；

A2：随机选取的一个生成元g，选取SHA-1作为抗碰撞的哈希函数H(·)；

A3：随机选取x计算***主公钥y＝g^xmodp。

综合上述信息，***参数设置模块A返回***公开参数params为＜p,q,g,y,H＞，***主密钥msk为x。

该用户密钥产生模块B执行以下步骤：

B1：随机选取xID作为用户的私钥usk_ID；

B2：计算作为用户的公钥。

该用户证书认证模块C执行以下步骤：

C1：随机选取s计算W＝g^smodp；

C2：计算R＝s+xH(ID,PK_ID,W)modq，得到用户的证书Cert_ID＝＜W,R＞。

该签名模块D执行以下步骤：

D1：随机选取r计算U＝g^rmodp；

D2：计算h₁＝H(m,PK_ID,U,W)和h₂＝H(m,ID,PK_ID,U,W)；

D3：计算z＝R+x_ID·h₁+r·h₂modq，得到消息m对应的签名为σ＝＜U,W,z＞。

该验证模块E执行以下步骤：

E1：计算h₀＝H(ID,PK_ID,W)，h₁＝H(m,PK_ID,U,W)，h₂＝H(m,ID,PK_ID,U,W)；

E2：验证等式是否成立，若等式成立，则接受签名，否则，拒绝签名。

下面将对如上所述的依照本发明的基于证书的数字签名***应用于基于组件属性可信终端的远程证明***中的情形进行说明。

以证明计算平台可信为目标的远程证明是可信计算的重要特色功能之一，已经受到国内外科研机构的广泛关注。随着远程证明的不断发展，出现了基于组件属性的远程证明方案(component property-based attestation，简称CPBA)。

在基于组件属性的远程证明(CPBA)方法中，组件属性证书的颁发、撤销和验证均使用传统的PKI方法实现。因此，组件属性证明的效率较低，特别是对大数量组件的属性证明时，计算和通信代价较大，不是特别适用。依照本发明的高效的基于证书的数字签名方法，不仅可以为可信平台(TPM)的证书发放和撤销提供新方法，而且也可用于可信计算平台身份证明方法即隐私CA(Pricacy-CA)的构造，从而能够形成更加实用的远程证明方法。

如图3所示，改进的基于组件属性的远程证明***包含组件生产厂商、用户平台、服务提供者、证书发布权威机构这4个角色。除了组件生产厂商外，其他3个角色参与组件属性证明的远程证明过程。我们用下列符号来表示***中的各个参与者：

CA：证书发布权威机构(Certificate Authority)，主要执行图1***参数设置模块A和用户证书认证模块C中的算法，负责***参数的产生和发布、撤销组件属性证书；

USER：用户平台，包括主机(HOST)和可信平台模块(TPM)两部分，主要执行图1用户密钥产生模块B和签名模块D中的算法，属于证明协议中的证明者；

SP：服务提供者(Service Provider)，主要执行图1验证模块E中的算法，提出属性证明要求，验证组件属性证明。

可信计算平台的基于组件属性的远程证明方案(CPBA)是属性权威机构为各种类型组件颁发的属性证书，属性证书与软、硬件绑定共同发布，平台证明者根据配置的组件属性证书和TPM的完整性度量向服务提供者证明其当前运行配置状态满足一定的安全属性。改进的基于组件属性的远程证明方案不需要第三方询问，提高了基于组件属性的远程证明***的效率。由图3的体系结构可以看出，改进的CPBA证明由以下步骤组成：

初始化(Setup)：由证书发布权威机构(CA)执行图1***参数设置模块A中的算法，生成***主密钥msk和***公开参数params，并将***公开参数params分别发送给USER和SP；

注册(Register)：由用户平台(USER)执行图1用户密钥产生模块B中的算法，生成用户平台的公钥PK_ID和私钥usk_ID，并将PK_ID和平台组件属性发送给CA和SP，然后CA执行用户证书认证模块C中的算法，为用户平台组件属性颁发证书Cert_ID；

证明(Attest)：用户平台(包括HOST和TPM)根据服务提供者(SP)的证明请求，执行图1签名模块D中的算法，用自己的私钥usk_ID和证书Cert_ID计算平台组件属性签名σ，然后向SP发送签名σ进行远程证明；

验证(Verify)：由服务提供者(SP)执行图1验证模块E中的算法，用***公开参数params和用户平台公钥PK_ID对平台组件属性签名σ进行验证。

改进的基于组件属性可信终端的远程证明***引入了基于证书的数字签名方案，消除了证书的第三方询问，减少了***的计算代价和通信代价，提高了远程证明***的效率。

对该技术领域的普通技术人员来说，根据以上实施类型可以很容易地联想到其它的优点和变形。因此，本发明并不局限于上述具体实施例，其仅仅作为例子对本发明的一种形态进行详细、示范性的说明。在不背离本发明宗旨的范围内，本领域普通技术人员可以根据上述具体实施例通过各种等同替换所得到的技术方案均应该包含在本发明的权利要求的范围及其等同的范围之内。

Claims (5)

1.一种基于证书的数字签名方法，其特征在于包括以下步骤：

A：设定***公开参数params和***的主密钥msk；

B：根据所述***公开参数params生成用户的公钥PK_ID和私钥usk_ID；

C：根据所述***公开参数params，用户的身份ID，***主密钥msk和用户的公钥PK_ID产生用户的证书Cert_ID；

D：根据用户的私钥usk_ID和用户的证书Cert_ID对消息m进行签名得到σ；

E：根据所述***公开参数params和用户的公钥PK_ID对消息m的签名σ的有效性进行验证；

所述步骤A具体包括：

A1：选取两个大素数p和q且满足q|p-1，其中p为1024位的整数，q为160位的整数；

A2：随机选取的一个生成元g，选取一个抗碰撞的杂凑哈希函数H；

A3：随机选取计算***主公钥y＝g^xmodp；

***公开参数params为<p,q,g,y,H>，***主密钥msk为x；

所述步骤B具体包括：

B1：随机选取作为用户的私钥usk_ID；

B2：计算作为用户的公钥。

2.如权利要求1所述的基于证书的数字签名方法，其特征在于，所述步骤A2中，所选的杂凑哈希函数H选用哈希函数MD-5、SHA-1、SHA-2或SHA-3。

3.如权利要求1所述的基于证书的数字签名方法，其特征在于所述步骤C具体包括：

C1：随机选取计算W＝g^smodp；

C2：计算R＝s+xH(ID,PK_ID,W)modq，得到用户的证书Cert_ID＝<W,R>。

4.如权利要求3所述的基于证书的数字签名方法，其特征在于所述步骤D具体包括：

D1：随机选取计算U＝g^rmodp；

D2：计算h₁＝H(m,PK_ID,U,W)和h₂＝H(m,ID,PK_ID,U,W)；

D3：计算z＝R+x_ID·h₁+r·h₂modq，得到消息m对应的签名为σ＝<U,W,z>。

5.如权利要求4所述的基于证书的数字签名方法，其特征在于所述步骤E具体包括：

E1：计算h₀＝H(ID,PK_ID,W)，h₁＝H(m,PK_ID,U,W)和h₂＝H(m,ID,PK_ID,U,W)；

E2：验证等式是否成立，若等式成立，则接受签名，否则，拒绝签名。