CN106856432A - 多变量数字签名装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种多变量数字签名装置，包括：中央处理器，电连接所述中央处理器的存储器、时序控制器、签名处理器、指示器和电源管理器，以及电连接所述签名处理器的有限域运算器和线性方程求解器。本发明具有消耗资源少、高效、安全级别高、能够抵御量子计算机攻击等特点。

Description

多变量数字签名装置
技术领域
本发明涉及数字签名技术领域，尤其涉及一种多变量数字签名装置。
背景技术
数字签名是采用公钥密码算法对物理签名进行计算的签名方法。只有信息的发送者才能产生他人无法伪造的一段数字串，这段数字串同时也是对信息的发送方发送信息真实性的一个有效证明。数字签名通常包括两类运算，签名运算和验证运算。发送方持有私钥对信息进行签名，收到方持有公钥对签名进行认证。
数字签名一般可以采用RSA、ECC等签名算法，但这些算法在量子计算机问世后将可能不再安全。所以，研究采用能够抵御量子计算机攻击的数字签名算法已经成为信息安全领域的热点。
在能够抵御量子计算机攻击的数字签名算法中，多变量公钥签名算法是非常重要的一类算法；它的安全性建立在一个NP-Hard问题(其中NP是指非确定性多项式(non-deterministic polynomial))的基础上，这个困难问题是求解有限域的多元多次方程组，其中大部分的多项式是二次多项式，所以多变量公钥签名算法又被叫作基于多元多项式的公钥签名算法。
在多变量公钥签名算法中，Rainbow签名算法是应用最广泛的算法之一，被用于文件签名、身份认证等。对于，Rainbow签名算法的使用，现有技术存在效率不高、资源消耗较大等缺点。
发明内容
因此，本发明提出一种多变量数字签名装置，以具有消耗资源少、高效、安全级别高、能够抵御量子计算机攻击等特点。
具体地，本发明实施例提出的一种多变量数字签名装置，包括：中央处理器，电连接所述中央处理器的存储器、时序控制器、签名处理器、指示器和电源管理器，以及电连接所述签名处理器的有限域运算器和线性方程求解器。
在本发明的一个实施例中，所述中央处理器包括整数加减法电路和接口控制电路，所述接口控制电路用于控制输入输出端口，且所述输入输出端口用于输送待签名信息、签名、私钥、公钥、时钟信号和复位信号。
在本发明的一个实施例中，所述存储器包括固态硬盘和存储接口控制器；所述指示器包括指示灯、状态控制电路和开关；所述电源管理器包括电池和电池控制器。
在本发明的一个实施例中，所述时序控制器包括单比特寄存器和统一时序电路；所述单比特用于存储输入的时钟信号。
在本发明的一个实施例中，所述签名处理器包括签名及验证电路和签名接口控制器；所述签名及验证电路用于执行多变量数字签名和验证运算，所述签名接口控制器用于控制私钥、公钥、待签名信息和签名的输入和输出。
在本发明的一个实施例中，所述有限域运算器包括乘法及求逆运算器和运算接口控制器；所述乘法及求逆运算器用于执行有限域的乘法及求逆运算且由“与”逻辑门和“异或”逻辑门组成，所述运算接口控制器用于控制所述乘法及求逆运算器的运算数的输入和输出。
在本发明的一个实施例中，所述线性方程求解器包括迭代控制电路和求解接口控制器；所述迭代控制电路用于执行求解有限域的线性方程组的迭代运算，所述迭代运算包括找主元运算、归一运算和消元运算；所述求解接口控制器用于控制有限域的线性方程组的系数增广矩阵的输入和输出。
在本发明的一个实施例中，所述多变量数字签名装置还包括无线通信器，电连接所述中央处理器，用于与外部数据采集器进行无线通信。
在本发明的一个实施例中，所述签名及验证电路用于在执行多变量数字签名运算时：(1)调用所述有限域运算器计算第一线性仿射变换其中y＝y(y0，y1，...，y26)是27字节的待签名信息，是y经过第一次线性仿射变换后的计算结果，M是27×27的矩阵，N是宽度为27的向量，M和N的每个元素均是有限域GF(2n)的元素；(2)调用所述有限域运算器和所述线性方程组求解器计算中心映射变换其中F-1是中心映射的逆变换，是经过中心映射的逆变换后的计算结果；以及(3)调用所述有限域运算器计算第二线性仿射变换其中x是经过第二次线性仿射变换后的计算结果，x＝x(x0，x1，...，x36)是y＝y(y0，y1，...，y26)的37字节Rainbow签名，P是37×37的矩阵，Q是宽度为37的向量，P和Q的每个元素均是有限域GF(2n)的元素。
在本发明的一个实施例中，所述签名及验证电路用于在执行验证运算时，调用所述有限域运算器计算其中，y＝y(y0，y1，...，y26)表示27字节的待签名信息，x＝x(x0，x1，...，x36)是表示37字节的签名，表示公钥且为私钥的组合。
因此，本发明实施例能够进行多变量数字签名例如Rainbow签名运算和验证运算，输入需要签名的信息至本装置，经过计算后，输出相应的Rainbow签名；反之输入需要验证的签名至本装置，经过计算后，输出相应的信息。本装置具有消耗资源少、高效、安全级别高、能够抵御量子计算机攻击等特点。
附图说明
下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为本发明实施例提出的一种基于特定有限域的多变量数字签名装置的模块示意图。
通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
如图1所示，本发明实施例提出的一种多变量数字签名装置10包括：中央处理器11、存储器12、时序控制器13、签名处理器14、有限域运算器15、线性方程求解器16、指示器17、电源管理器18和无线通信器19。本多变量数字签名装置10适于与作为外部部件的数据采集器30进行通信。
下面将结合图1对本实施例多变量数字签名装置10的各组成部分做详细介绍。
中央处理器11例如包括运算器111和控制器113，是本多变量数字签名装置10的核心部件。其中，运算器111例如包括整数加减法电路，用于整数域100以内的加减法；控制器113例如包括控制电路和接口控制电路，用于控制其它部件以及控制输入端口A及B、输入端口clk及res和输出端口C等输入输出端口；输入端口A及B均是单字节宽度，用于输送待签名信息、签名、私钥、公钥以及个人信息，输入端口clk及res均是单比特宽度，分别用于输入时钟信号和复位信号。
输入端口A、B和输出端口C可以表示为：
A＝A(A0，A1，...，A7)；
B＝B(B0，B1，...，B7)；
C＝C(C0，C1，...，C7)。
输入端口clk及res的取值为0或1，clk＝0时代表低电平，clk＝1时代表高电平，res的取值由1变成0时表示装置10复位初始化，初始化结束后res的取值变成1。
待签名信息可以表示为y＝y(y0，y1，...，y26)，每一个元素代表一个字节，局势特定有限域例如GF(28)的元素，待签名信息共27个字节；签名可以表示为x＝x(x0，x1，...，x36)，每一个元素代表一个字节，均是特定有限域例如GF(28)的元素，共37个字节；待签名的信息y＝y(y0，y1，...，y26)通过签名处理器14的签名运算，可以获得签名x＝x(x0，x1，...，x36)，而签名x＝x(x0，x1，...，x36)通过签名处理器14的验证运算，可以获得相应的信息y＝y(y0，y1，...，y26)。
私钥由L1,L2,F组成，L1是一个线性仿射变换，可以表示为：y＝Mx+N，M是27×27的矩阵，N是宽度为27的向量，矩阵和向量的每个元素均是特定有限域例如GF(28)的元素；L2是一个线性仿射变换，可以表示为：y＝Px+Q，P是37×37的矩阵，Q是宽度为37的向量，矩阵和向量的每个元素均是特定有限域例如GF(28)的元素；F是一个中心映射变换，包括多个多元二次多项式。
公钥是L1，L2，F的组合，可以表示为：
存储器12电连接中央处理器11，其例如包括SSD(Solid-State Disk，固态硬盘)121和存储接口控制器123，是本多变量数字签名装置10的存储部件。其中，SSD 121例如包括150字节存储空间，用于存储运算结果；存储接口控制器123包括接口控制电路，用于读取存储的数据，存取单位是单字节，可以同时读取两个单位的数据或写一个单位的数据。
SSD 121例如包含以下7个端口：
地址端口ra0和ra1：SSD地址Src.1和Src.2，可同时读取两个地址的数据；
数据输入端口rd0：将rd0的数据写至地址ra0的SSD；
数据输出端口ro0和ro1：将地址ra0和ra1的SSD数据读取至ro0和ro1；
使能信号端口re0和re1：re0＝0时将地址ra0的SSD数据读取至ro0，re1＝0时将地址ra1的SSD数据读取至ro1，re0＝1时将rd0的数据写至地址ra0的SSD。
时序控制器13电连接中央处理器11，其例如包括信号存储器131和统一控制器133，是本多变量数字签名装置10的时序部件。其中，信号存储器131例如包括单比特(byte)寄存器，用于存储输入端口clk(也即时钟输入端口)输入的时钟信号；统一控制器133例如包括统一时序电路，用于统一控制其它部件的时序。
签名处理器14电连接中央处理器11，其例如包括Rainbow处理器141和签名接口控制器143，其本多变量数字签名装置10的签名部件。其中，Rainbow处理器141例如包括签名及验证电路，用于执行Rainbow签名和验证运算；签名接口控制器143例如包括接口控制电路，用于控制私钥、公钥、待签名信息和签名的输入和输出。
Rainbow处理器141中的签名及验证电路在运行签名运算时，调用有限域运算器15和线性方程组求解器16，包含以下功能：
(1)调用有限域运算器15，计算L1线性仿射变换这里y＝y(y0，y1，...，y26)是待签名信息，是y经过第一次仿射变换后的计算结果，M是27×27的矩阵，N是宽度为27的向量，矩阵和向量的每个元素均是特定有限域例如GF(28)的元素；
(2)调用有限域运算器15和线性方程组求解器16，计算中心映射变换这里F-1是中心映射的逆变换，是经过中心映射逆变换后的计算结果；
(3)调用有限域运算器15，计算L2线性仿射变换这里x是经过第二次仿射变换后的计算结果，x＝x(x0，x1，...，x36)是y＝y(y0，y1，...，y26)的Rainbow签名，P是37×37的矩阵，Q是宽度为37的向量，矩阵和向量的每个元素均是特定有限域例如GF(28)的元素。
Rainbow处理器141中的签名及验证电路在运行验证运算时，调用有限域运算器15，包含以下功能：
调用有限域运算器15，计算这里y＝y(y0，y1，...，y26)是待签名信息，x＝x(x0，x1，...，x36)是签名，是公钥，是私钥L1，L2，F的组合。
有限域运算器15电连接签名处理器14，其例如包括乘法及求逆运算器151和运算接口控制器153，是本多变量数字签名装置10的第一运算部件。其中，乘法及求逆运算器151包括有限域的乘法电路和求逆电路，由“与”逻辑门和“异或”逻辑门组成，用于计算有限域例如GF(28)的乘法和求逆；运算接口控制器例如包括接口控制电路，用于控制乘法及求逆运算器151的运算数的输入和输出。
假定a(x)和b(x)均是特定有限域例如GF(28)的元素，那么有限域运算器15的乘法电路在计算a(x)和b(x)的乘法时，包含以下功能：
(i)
(ii)
(iii)
(iv)
(v)
(vi)
(vii)
(viii)
(ix)
其中，f(x)＝x8+x6+x3+x2+1是在有限域运算器15中使用的特定有限域例如GF(28)的不可约多项式。
假定β是特定有限域例如GF(28)的元素，那么有限域运算器15中的求逆电路在计算β的求逆β-1时，包含以下功能；
(1)
(2)
(3)28-2＝2+22+24+...+28-1,
(4)
线性方程求解器16电连接签名处理器14，其例如包括有限域求解器161和求解接口控制器163，是本多变量数字签名装置10的第二运算部件。其中，有限域求解器161例如包括迭代控制电路，用于执行求解有限域的线性方程组的迭代运算，迭代运算包括找主元运算、归一运算和消元运算；求解接口控制器163例如包括接口控制电路，用于控制有限域线性方程组的系数增广矩阵的输入和输出。
指示器17电连接中央处理器11，其例如包括指示灯171和状态控制器173，是本多变量数字签名装置10的指示部件。其中，指示灯171例如包括LED电路，用于指示本装置10的工作情况；状态控制器173例如包括状态控制电路和开关，用于控制指示灯171以及本装置10的供电。
电源管理器18电连接中央处理器11，其例如包括电池181和电池控制器183，是本多变量数字签名装置10的电源部件。其中，电池181例如包括5000mA电池，用于本装置10的供电；电池控制器183例如包括电池控制电路，用于电源管理。
无线通信器19电连接中央处理器11，其例如包括网络收发器191和通信接口控制器193，是本多变量数字签名装置10的通信部件。其中，网络收发器191例如包括无线网卡，用于接入无线网络；通信接口控制器例如包括通信接口控制电路，用于无线通信数据传输。
数据采集器30例如包括输入输出设备301和网络通信设备303。其中，输入输出设备301例如包括键盘、鼠标、显示器、打印机等，用于控制私钥、公钥、有限域不可约多项式、待签名信息和签名的输入和输出；网络通信设备303例如包括无线网卡和信息发射器，用于创建和接入无线网络。
下面将结合图1对本实施例的基于特定有限域的多变量数字签名装置10执行签名运算的工作过程进行说明如下：
(S1)使用者通过本装置10的数据采集器30的输入输出设备301，按照约定好的网络名、密码，创建无线网络，并连入网络；
(S2)使用者按下本装置10的指示器17中的开关，电源管理器18启动，本装置10开始通电，此时指示器17中的指示灯开始常亮，本装置10的无线通信器19按约定加入无线网络，与数据采集器30开始通信；
(S3)使用者通过数据采集器30的输入输出设备301输入频率为50MHz的时钟信号和复位信号，本装置10的中央处理器11通过无线通信器19接收时钟信号和复位信号，并通知时序控制器13以50MHz的频率统一工作，通知其它部件例如签名处理器14、有限域运算器15、线性方程求解器16初始化；
(S4)使用者通过数据采集器30的输入输出设备输301入待签名信息y＝y(y0，y1，...，y26)和私钥L1,L2,F，其中，y0，y1，...，y26是有限域GF(28)的元素；本装置10的中央处理器11接收待签名信息和私钥，通知存储器12存储待签名信息和私钥，通知签名处理器14开始签名运算，指示器17中的指示灯开始闪烁；
(S5)签名处理器14调用有限域运算器15，计算L1线性仿射变换这里y＝y(y0，y1，...，y26)是待签名信息，是y经过第一次仿射变换后的计算结果，M是27×27的矩阵，N是宽度为27的向量，矩阵和向量的每个元素均是特定有限域例如GF(28)的元素；
(S6)签名处理器14调用有限域运算器15和线性方程组求解器16，计算中心映射变换这里F-1是中心映射的逆变换，是经过中心映射逆变换后的计算结果；
(S7)签名处理器14调用有限域运算器15，计算L2线性仿射变换这里x是经过第二次仿射变换后的计算结果，x＝x(x0，x1，...，x36)是y＝y(y0，y1，...，y26)的Rainbow签名，P是37×37的矩阵，Q是宽度为37的向量，矩阵和向量的每个元素均是特定有限域例如GF(28)的元素；
(S8)x＝x(x0，x1，...，x36)通过签名处理器14输出至中央处理器11，中央处理器11将运算结果通过无线通信器19输出至数据采集器30，数据采集器30把运算结果显示在输入输出设备301上。
本发明实施例提供的一种基于特定有限域例如GF(28)的多变量数字签名装置10例如Rainbow签名装置，能够进行Rainbow数字签名运算和验证运算，输入需要签名的信息至本装置10，经过计算后，输出相应的Rainbow签名；反之输入需要验证的签名至本装置10，经过计算后，输出相应的信息。本装置10具有消耗资源少、高效、安全级别高、能够抵御量子计算机攻击等特点。此外，值得说明的是，前述的有限域并不限于GF(28)，也可以其它GF(2n)；多变量数字签名方法并不限于Rainbow签名算法，也可以是其它多变量数字签名算法。再者，本装置10与外部部件例如数据采集器30的输入输出设备301之间也可以采用有线连接，相应地本装置10也可以考虑省略无线通信器19。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种多变量数字签名装置，其特征在于，包括：中央处理器，电连接所述中央处理器的存储器、时序控制器、签名处理器、指示器和电源管理器，以及电连接所述签名处理器的有限域运算器和线性方程求解器。
2.根据权利要求1所述的多变量数字签名装置，其特征在于，所述中央处理器包括整数加减法电路和接口控制电路，所述接口控制电路用于控制输入输出端口，且所述输入输出端口用于输送待签名信息、签名、私钥、公钥、时钟信号和复位信号。
3.根据权利要求1所述的多变量数字签名装置，其特征在于，所述存储器包括固态硬盘和存储接口控制器；所述指示器包括指示灯、状态控制电路和开关；所述电源管理器包括电池和电池控制器。
4.根据权利要求1所述的多变量数字签名装置，其特征在于，所述时序控制器包括单比特寄存器和统一时序电路；所述单比特用于存储输入的时钟信号。
5.根据权利要求1所述的多变量数字签名装置，其特征在于，所述签名处理器包括签名及验证电路和签名接口控制器；所述签名及验证电路用于执行多变量数字签名和验证运算，所述签名接口控制器用于控制私钥、公钥、待签名信息和签名的输入和输出。
6.根据权利要求1所述的多变量数字签名装置，其特征在于，所述有限域运算器包括乘法及求逆运算器和运算接口控制器；所述乘法及求逆运算器用于执行有限域的乘法及求逆运算且由“与”逻辑门和“异或”逻辑门组成，所述运算接口控制器用于控制所述乘法及求逆运算器的运算数的输入和输出。
7.根据权利要求1所述的多变量数字签名装置，其特征在于，所述线性方程求解器包括迭代控制电路和求解接口控制器；所述迭代控制电路用于执行求解有限域的线性方程组的迭代运算，所述迭代运算包括找主元运算、归一运算和消元运算；所述求解接口控制器用于控制有限域的线性方程组的系数增广矩阵的输入和输出。
8.如权利要求1所述的多变量数字签名装置，其特征在于，还包括无线通信器，电连接所述中央处理器，用于与外部数据采集器进行无线通信。
9.如权利要求1所述的多变量数字签名装置，其特征在于，所述签名及验证电路用于在执行多变量数字签名运算时：
(1)调用所述有限域运算器计算第一线性仿射变换其中y＝y(y0，y1，...，y26)是27字节的待签名信息，是y经过第一次线性仿射变换后的计算结果，M是27×27的矩阵，N是宽度为27的向量，M和N的每个元素均是有限域GF(2n)的元素；
(2)调用所述有限域运算器和所述线性方程组求解器计算中心映射变换其中F-1是中心映射的逆变换，是经过中心映射的逆变换后的计算结果；以及
(3)调用所述有限域运算器计算第二线性仿射变换其中x是经过第二次线性仿射变换后的计算结果，x＝x(x0，x1，...，x36)是y＝y(y0，y1，...，y26)的37字节Rainbow签名，P是37×37的矩阵，Q是宽度为37的向量，P和Q的每个元素均是有限域GF(2n)的元素。
10.如权利要求1所述的多变量数字签名装置，其特征在于，所述签名及验证电路用于在执行验证运算时，调用所述有限域运算器计算其中，y＝y(y0，y1，...，y26)表示27字节的待签名信息，x＝x(x0，x1，...，x36)是表示37字节的签名，表示公钥且为私钥的组合。
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