CN109525393A - 一种抗量子计算攻击的数字签名方法、验证方法及系统 - Google Patents

一种抗量子计算攻击的数字签名方法、验证方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗量子计算攻击的数字签名方法，包括：在签名用户的信息验证通过后，获取所述签名用户预设的私钥；获取待签名文件的图片；将所述图片进行编码以作为第一消息；根据所述私钥，并基于Rainbow签名算法对所述消息进行运算，生成Rainbow签名。本发明还公开了一种抗量子计算攻击的数字签名验证方法及系统。本发明签名速度快，安全级别高，且能够抵御量子计算机攻击。

Description

一种抗量子计算攻击的数字签名方法、验证方法及系统
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种抗量子计算攻击的数字签名方法、验证方法及系统。
背景技术
数字签名是一种防止伪造的签名方式，采用公钥密码算法对物理签名进行计算。数字签名的原理是，只有信息提供方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信息提供方发送信息的真实性的一个有效证明。数字签名一般包括两类运算：签名运算和验证运算。信息提供方持有私钥对信息进行签名，信息接收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，研究量子计算攻击免疫的数字签名算法已经成为信息安全领域的热点。
在量子计算攻击免疫的数字签名算法中，多变量公钥签名算法是非常重要的一类公钥密码算法。多变量公钥签名算法的安全性建立在一个NP-Hard问题的基础上，即求解有限域的多元二次方程组。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，被广泛用于文件签名、身份认证等。对于现有的Rainbow签名技术存在一定的不足，签名安全级别低，无法抵御量子计算机攻击。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，提供了一种抗量子计算攻击的数字签名方法、验证方法及系统，签名速度快，安全级别高，且能够抵御量子计算机攻击。
本发明就上述技术问题而提出的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种抗量子计算攻击的数字签名方法，包括：
在签名用户的信息验证通过后，获取所述签名用户预设的私钥；
获取待签名文件的图片；
将所述图片进行编码以作为第一消息；
根据所述私钥，并基于Rainbow签名算法对所述第一消息进行运算，生成Rainbow签名。
进一步地，所述将所述图片进行编码以作为第一消息，具体包括：
将所述图片生成16字节的MD5码，以将所述16字节的MD5码和所述图片的二进制流的前34字节作为40字节的第一消息。
另一方面，本发明提供一种抗量子计算攻击的数字签名验证方法，包括：
获取上述Rainbow签名和图片；
获取签名用户预设的公钥；
根据所述公钥，并基于Rainbow签名算法对所述Rainbow签名进行运算，生成第二消息；
对所述图片进行编码以生成第一消息；
将所述第一消息与所述第二消息进行对比，以验证所述Rainbow签名。
进一步地，所述对所述图片进行编码以生成第一消息，具体包括：
将所述图片生成16字节的MD5码，以将所述16字节的MD5码和所述图片的二进制流的前34字节作为40字节的第一消息。
进一步地，所述将所述第一消息与所述第二消息进行对比，以验证所述Rainbow签名，具体包括：
对比所述第一消息与所述第二消息是否相同；
若相同，则验证所述Rainbow签名为有效签名；
若不同，则验证所述Rainbow签名为无效签名。
相应地，一方面，本发明提供一种抗量子计算攻击的数字签名系统，包括：
第一移动端控制器，用于在签名用户的信息验证通过后，获取所述签名用户预设的私钥；
第一图像处理器，用于获取待签名文件的图片；
第一编码处理器，用于将所述图片进行编码以作为第一消息；以及，
签名器，用于根据所述私钥，并基于Rainbow签名算法对所述第一消息进行运算，生成Rainbow签名。
进一步地，所述第一编码处理器具体包括：
第一MD5码生成器，用于将所述图片生成16字节的MD5码，以将所述16字节的MD5码和所述图片的二进制流的前34字节作为40字节的第一消息；以及，
第一MD5码管理器，用于存储所述MD5码。
另一方面，本发明提供一种抗量子计算攻击的数字签名验证系统，包括：
第二图像处理器，用于获取上述图片；
云端管理器，用于获取签名用户预设的公钥；
验证器，用于获取上述Rainbow签名，并根据所述公钥，基于Rainbow签名算法对所述Rainbow签名进行运算，生成第二消息；
第二编码处理器，用于对所述图片进行编码以生成第一消息；
第二移动控制器，用于将所述第一消息与所述第二消息进行对比，以验证所述Rainbow签名。
进一步地，所述第二编码处理器具体包括：
第二MD5码生成器，用于将所述图片生成16字节的MD5码，以将所述16字节的MD5码和所述图片的二进制流的前34字节作为40字节的第一消息；
第二MD5码管理器，用于存储所述MD5码。
进一步地，所述第二移动控制器具体包括：
移动应用模块，用于对比所述第一消息与所述第二消息是否相同；若相同，则验证所述Rainbow签名为有效签名；若不同，则验证所述Rainbow签名为无效签名。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明提供的抗量子计算攻击的数字签名方法、验证方法及系统，能够进行抗量子计算数字签名的运算和验证运算，签名用户通过拍照输入需要签名的信息，生成MD5码，经过计算后，输出相应的签名，验证用户将签名输入，从云端获取对应的公钥，经过计算后，输出相应的第二消息，并与原始第一消息进行对比，验证签名的真实性，具有速度快、安全级别高、能够抵御量子计算机攻击等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的抗量子计算攻击的数字签名方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的抗量子计算攻击的数字签名验证方法的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的抗量子计算攻击的数字签名系统的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的移动平台的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的抗量子计算攻击的数字签名验证系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例提供了一种抗量子计算攻击的数字签名方法，参见图1，该方法包括：
S11、在签名用户的信息验证通过后，获取所述签名用户预设的私钥；
S12、获取待签名文件的图片；
S13、将所述图片进行编码以作为第一消息；
S14、根据所述私钥，并基于Rainbow签名算法对所述第一消息进行运算，生成Rainbow签名。
进一步地，所述将所述图片进行编码以作为第一消息，具体包括：
将所述图片生成16字节的MD5码，以将所述16字节的MD5码和所述图片的二进制流的前34字节作为40字节的第一消息。
需要说明的是，签名用户可通过移动终端上的应用程序登录其账户，在账户验证通过后，获得签名用户的私钥L1,L2,F。用户打开摄像头，对待签名的文件进行拍摄，生成图片并进行存储。进而，将该图片生成128位(16字节)的MD5码并进行存储，将16字节的MD5码，再加上该图片的二进制流的前34个字节，作为40字节的消息y＝y(y0,y1,...,y39)，并进行存储。
输入待签名的消息和私钥L1,L2,F进行运算。将待签名的消息代入L1线性放射变换进行运算，其中，是y经过第一次仿射变换后的计算结果，A是40×40的矩阵，B是宽度为40的向量，矩阵和向量的每个元素均是特定有限域GF(28)的元素。将第一次仿射变换结果代入中心映射变换进行运算，其中，是经过中心映射逆变换后的计算结果。将中心映射逆变换结果代入L2线性放射变换进行运算，其中，x是经过第二次仿射变换后的计算结果，C是68×68的矩阵，D是宽度为68的向量，矩阵和向量的每个元素均是特定有限域GF(28)的元素。签名可以表示为x＝x(x0,x1,...,x67)，每个元素代表一个字节，均是特定有限域GF(28)的元素，共68字节，x＝x(x0,x1,...,x67)是y＝y(y0,y1,...,y39)的Rainbow签名。
在生成Rainbow签名后，可建立无线网络，等待其他用户的加入。一旦目标用户加入，签名用户将存储的图片和生成的Rainbow签名发送给目标用户。
相应地，本发明实施例还提供一种抗量子计算攻击的数字签名验证方法，参见图2，该方法包括：
S21、获取上述Rainbow签名和图片；
S22、获取签名用户预设的公钥；
S23、根据所述公钥，并基于Rainbow签名算法对所述Rainbow签名进行运算，生成第二消息；
S24、对所述图片进行编码以生成第一消息；
S25、将所述第一消息与所述第二消息进行对比，以验证所述Rainbow签名。
进一步地，所述对所述图片进行编码以生成第一消息，具体包括：
将所述图片生成16字节的MD5码，以将所述16字节的MD5码和所述图片的二进制流的前34字节作为40字节的第一消息。
进一步地，所述将所述第一消息与所述第二消息进行对比，以验证所述Rainbow签名，具体包括：
对比所述第一消息与所述第二消息是否相同；
若相同，则验证所述Rainbow签名为有效签名；
若不同，则验证所述Rainbow签名为无效签名。
需要说明的是，目标用户通过移动终端上的应用程序登录其账户，并打开移动终端上的无线网络，使移动终端搜索签名用户，并与签名用户的移动终端建立连接。目标用户从网络中获取目标用户的图片和Rainbow签名，并将图片和Rainbow签名分别进行存储。进而，从云端获取签名用户的信息以及预设公钥的存储位置，以根据公钥的存储位置获取签名用户的公钥
输入签名x＝x(x0,x1,...,x67)和公钥进行运算。签名可以表示为x＝x(x0,x1,...,x67 )，代入进行运算，获得其中，y＝y(y0,y1,...,y39)是待签名的消息，是公钥，是私钥L1,L2,F的组合。
同时，将获取的图片生成128位(16字节)的MD5码，并进行存储。将16字节的MD5码，再加上该图片的二进制流的前34个字节，作为40字节的原始消息y′＝y′(y0′,y1′,...,y39′)，并与消息y＝y(y0,y1,...,y39)进行比对。若y′＝y′(y0′,y1′,...,y39′)与y＝y(y0,y1,...,y39)相同，则该签名是有效的签名，反之则是无效签名。
本发明实施例能够进行抗量子计算数字签名的运算和验证运算，签名用户通过拍照输入需要签名的信息，生成MD5码，经过计算后，输出相应的签名，验证用户将签名输入，从云端获取对应的公钥，经过计算后，输出相应的第二消息，并与原始第一消息进行对比，验证签名的真实性，具有速度快、安全级别高、能够抵御量子计算机攻击等特点。
相应地，本发明实施例提供了一种抗量子计算攻击的数字签名系统，能够实现上述抗量子计算攻击的数字签名方法的所有流程，参见图3，所述抗量子计算攻击的数字签名系统包括：
第一移动端控制器11，用于在签名用户的信息验证通过后，获取所述签名用户预设的私钥；
第一图像处理器12，用于获取待签名文件的图片；
第一编码处理器13，用于将所述图片进行编码以作为第一消息；以及，
签名器14，用于根据所述私钥，并基于Rainbow签名算法对所述第一消息进行运算，生成Rainbow签名。
进一步地，所述第一编码处理器具体包括：
第一MD5码生成器，用于将所述图片生成16字节的MD5码，以将所述16字节的MD5码和所述图片的二进制流的前34字节作为40字节的第一消息；以及，
第一MD5码管理器，用于存储所述MD5码。
需要说明的是，本发明实施例提供的抗量子计算攻击的数字签名系统设置在移动平台上。如图4所示，移动平台包括移动端控制器、云端管理器、输入输出控制器、存储器、签名器、验证器、图像处理器、编码处理器和无线网络管理器。其中，移动端控制器包括移动应用模块和私钥管理器，是平台的核心部件；云端管理器包括公钥管理器和用户管理器，是平台的管理部件；输入输出控制器包括输入控制器和输出控制器，是平台的输入输出部件；存储器包括RAM和寄存器，是平台的存储部件；签名器包括信息管理器和签名运算器，是平台的签名部件；验证器包括签名管理器和信息运算器，是平台的验证部件；图像处理器包括摄像头和图片管理器，是平台的图像部件；编码处理器包括MD5码管理器和MD5码生成器，是平台的处理部件；无线网络管理器包括热点生成器和无线网络接收器，是平台的网络部件。
移动端控制器的移动应用模块可以运行在具备Android、iOS、Win系统的移动终端上，为用户提供可视化的界面和操作。移动端控制器的私钥管理器，存储用户的私钥，该私钥被Rainbow签名算法使用，且该私钥使用AES密码算法进行加密的形式存储。在使用该私钥前，需先进行AES解密。
Rainbow签名的私钥由L1,L2,F组成，L1是一个线性放射变换，可以表示为：y＝Ax+B，A是40×40的矩阵，B是宽度为40的向量，矩阵和向量的每个元素均是特定有限域GF(28)的元素。L2是一个线性放射变换，可以表示为：y＝Cx+D，C是68×68的矩阵，D是宽度为68的向量，矩阵和向量的每个元素均是特定有限域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。
云端管理器的公钥管理器使用OpenStack的私有云，管理和存储平台所有用户的公钥。公钥是L1,L2,F的组合，可以表示成云端管理器的用户管理器使用OpenStack的私有云，管理和存储平台所有用户的信息。
输入输出控制器的输入控制器通过一块显示屏幕的虚拟键盘，输入用户需要的大小写字母、数字以及特殊字符等信息。输入输出控制器的输出控制器，通过一块显示屏幕，输出平台信息。
存储器的RAM，存储大小是1MB，存储签名和验证过程中线性仿射变换、中心映射变换产生的中间数据。存储器的寄存器，共100个，单个大小是1字节，存储密码算法中有限域加法、乘法和求逆的结果。
其中，有限域GF(28)加法计算和它们均是特定有限域GF(28)的元素，c(x)＝a(x)+b(x)由异或运算计算有限域GF(28)乘法计算和均是特定有限域GF(28)的元素；f(x)是有限域GF(28)的不可约多项式，其形式是f(x)＝x8+f7x7+f6x6+...+f1x+1；c(x)＝a(x)×b(x)modf(x)由以下运算完成：
(1)根据针对i＝0,1,...,14,j＝0,1,...,7，计算vij；
(2)根据针对i＝0,1,...,14，计算Si；
(3)根据针对i＝0,1,...,7，计算ci；
有限域GF(28)求逆计算均是特定有限域GF(28)的元素；f(x)是有限域GF(28)的不可约多项式，其形式是f(x)＝x8+f7x7+f6x6+...+f1x+1；b(x)＝a(x)-1modf(x)由以下运算完成：
(1)计算S1＝a(x)2×a(x)4×a(x)8；
(2)计算S2＝a(x)16×a(x)32×a(x)64；
(3)计算b(x)＝S1×S2。
签名器的信息管理器用于管理需要签名的消息。待签名的消息可以表示为y＝y(y0,y1,...,y39)，每个元素代表一个字节，均是特定有限域GF(28)的元素，待签名的信息共40字节。签名器的签名运算器用于生成Rainbow签名。签名可以表示为x＝x(x0,x1,...,x67)，每个元素代表一个字节，均是特定有限域GF(28)的元素，共68字节。待签名的信息y＝y(y0,y1,...,y39)代入L1线性放射变换这里是y经过第一次仿射变换后的计算结果。第一次仿射变换结果代入中心映射变换这里是经过中心映射逆变换后的计算结果。中心映射逆变换结果代入L2线性放射变换这里x是经过第二次仿射变换后的计算结果，x＝x(x0,x1,...,x67)是y＝y(y0,y1,...,y39)的Rainbow签名。
验证器的签名管理器用于为用户管理需要验证的签名。验证器的信息运算器用于验证Rainbow签名。签名可以表示为x＝x(x0,x1,...,x67)，代入这里y＝y(y0,y1,...,y39)是待签名的信息，是公钥，是私钥L1,L2,F的组合。
图像处理器的摄像头由移动终端配备，具备800万像素。图像处理器的图片管理器管理由摄像头拍摄的图片。
编码处理器的MD5码管理器管理生成的MD5码。编码处理器的MD5码生成器采用MD5算法，对拍摄的图片进行处理，生成对应的MD5码。
无线网络管理器的热点生成器可以建立无线网络，其他用户可以加入该网络。无线网络管理器的无线网络接收器可以搜索已有的无线网络，并加入无线网络。
相应地，本发明实施例提供了一种抗量子计算攻击的数字签名验证系统，能够实现上述抗量子计算攻击的数字签名验证方法的所有流程，参见图5，所述抗量子计算攻击的数字签名验证系统包括：
第二图像处理器21，用于获取上述图片；
云端管理器22，用于获取签名用户预设的公钥；
验证器23，用于获取上述Rainbow签名，并根据所述公钥，基于Rainbow签名算法对所述Rainbow签名进行运算，生成第二消息；
第二编码处理器24，用于对所述图片进行编码以生成第一消息；
第二移动控制器25，用于将所述第一消息与所述第二消息进行对比，以验证所述Rainbow签名。
进一步地，所述第二编码处理器具体包括：
第二MD5码生成器，用于将所述图片生成16字节的MD5码，以将所述16字节的MD5码和所述图片的二进制流的前34字节作为40字节的第一消息；
第二MD5码管理器，用于存储所述MD5码。
进一步地，所述第二移动控制器具体包括：
移动应用模块，用于对比所述第一消息与所述第二消息是否相同；若相同，则验证所述Rainbow签名为有效签名；若不同，则验证所述Rainbow签名为无效签名。
需要说明的是，本发明实施例提供的抗量子计算攻击的数字签名验证系统同样设置在移动平台上，其中，移动平台的结构在此不再详细描述。
本发明实施例能够进行抗量子计算数字签名的运算和验证运算，签名用户通过拍照输入需要签名的信息，生成MD5码，经过计算后，输出相应的签名，验证用户将签名输入，从云端获取对应的公钥，经过计算后，输出相应的第二消息，并与原始第一消息进行对比，验证签名的真实性，具有速度快、安全级别高、能够抵御量子计算机攻击等特点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抗量子计算攻击的数字签名方法，其特征在于，包括：
在签名用户的信息验证通过后，获取所述签名用户预设的私钥；
获取待签名文件的图片；
将所述图片进行编码以作为第一消息；
根据所述私钥，并基于Rainbow签名算法对所述第一消息进行运算，生成Rainbow签名。
2.如权利要求1所述的抗量子计算攻击的数字签名方法，其特征在于，所述将所述图片进行编码以作为第一消息，具体包括：
将所述图片生成16字节的MD5码，以将所述16字节的MD5码和所述图片的二进制流的前34字节作为40字节的第一消息。
3.一种抗量子计算攻击的数字签名验证方法，其特征在于，包括：
获取如权利要求1或2任一项所述的Rainbow签名和图片；
获取签名用户预设的公钥；
根据所述公钥，并基于Rainbow签名算法对所述Rainbow签名进行运算，生成第二消息；
对所述图片进行编码以生成第一消息；
将所述第一消息与所述第二消息进行对比，以验证所述Rainbow签名。
4.如权利要求3所述的抗量子计算攻击的数字签名验证方法，其特征在于，所述对所述图片进行编码以生成第一消息，具体包括：
将所述图片生成16字节的MD5码，以将所述16字节的MD5码和所述图片的二进制流的前34字节作为40字节的第一消息。
5.如权利要求3所述的抗量子计算攻击的数字签名验证方法，其特征在于，所述将所述第一消息与所述第二消息进行对比，以验证所述Rainbow签名，具体包括：
对比所述第一消息与所述第二消息是否相同；
若相同，则验证所述Rainbow签名为有效签名；
若不同，则验证所述Rainbow签名为无效签名。
6.一种抗量子计算攻击的数字签名系统，其特征在于，包括：
第一移动端控制器，用于在签名用户的信息验证通过后，获取所述签名用户预设的私钥；
第一图像处理器，用于获取待签名文件的图片；
第一编码处理器，用于将所述图片进行编码以作为第一消息；以及，
签名器，用于根据所述私钥，并基于Rainbow签名算法对所述第一消息进行运算，生成Rainbow签名。
7.如权利要求6所述的抗量子计算攻击的数字签名系统，其特征在于，所述第一编码处理器具体包括：
第一MD5码生成器，用于将所述图片生成16字节的MD5码，以将所述16字节的MD5码和所述图片的二进制流的前34字节作为40字节的第一消息；以及，
第一MD5码管理器，用于存储所述MD5码。
8.一种抗量子计算攻击的数字签名验证系统，其特征在于，包括：
第二图像处理器，用于获取如权利要求6或7任一项所述的图片；
云端管理器，用于获取签名用户预设的公钥；
验证器，用于获取如权利要求6或7任一项所述的Rainbow签名，并根据所述公钥，基于Rainbow签名算法对所述Rainbow签名进行运算，生成第二消息；
第二编码处理器，用于对所述图片进行编码以生成第一消息；
第二移动控制器，用于将所述第一消息与所述第二消息进行对比，以验证所述Rainbow签名。
9.如权利要求8所述的抗量子计算攻击的数字签名验证系统，其特征在于，所述第二编码处理器具体包括：
第二MD5码生成器，用于将所述图片生成16字节的MD5码，以将所述16字节的MD5码和所述图片的二进制流的前34字节作为40字节的第一消息；
第二MD5码管理器，用于存储所述MD5码。
10.如权利要求8所述的抗量子计算攻击的数字签名验证系统，其特征在于，所述第二移动控制器具体包括：
移动应用模块，用于对比所述第一消息与所述第二消息是否相同；若相同，则验证所述Rainbow签名为有效签名；若不同，则验证所述Rainbow签名为无效签名。
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