CN111030823A - 超轻量级多次签名的数据处理方法、系统、物联网平台 - Google Patents

超轻量级多次签名的数据处理方法、系统、物联网平台 Download PDF

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Abstract

本发明属于数据处理技术领域，公开了一种超轻量级多次签名的数据处理方法、系统、物联网平台，物联网的管理中心将为物联网节点生成公私钥对；物联网节点签名时，将消息分为两部分以减少通信代价，生成并公开签名(rj，sj，cj)和部分消息
Figure DDA0002246711660000011
验证方首先验证签名的合法性，若签名合法则恢复出完整的消息
Figure DDA0002246711660000012
本发明降低了节点的计算复杂度，同时降低了节点之间的通信代价。本发明基于SM2算法的超轻量级多次签名的方法与系统，在保证方案安全的前提下极大程度的降低了物联网节点的计算开销，提升了物联网节点签名的速率。可以在节点存储少量数据的前提下，多次对消息产生签名，且不需要与管理中心多次通信。

Description

超轻量级多次签名的数据处理方法、系统、物联网平台
技术领域
本发明属于数据处理技术领域，尤其涉及一种超轻量级多次签名的数据处理方法、系统、物联网平台。
背景技术
目前，最接近的现有技术：随着科学技术的飞速发展，云计算、物联网等平台为数据的存储和传输提供了强大的支撑平台，给人们的日常生活提供了更多的便利。新的体系结构给数据的完整性、机密性、可用性带来了新的挑战，数据的安全和隐私问题已经成为人们高度关注的问题。
为了保证物联网节点中数据的安全性、可靠性，通常节点会把消息签名后再将消息和签名一同发送到控制中心或者其他节点。但是随着物联网的高速发展，更多的终端或传感器接入物联网，节点规模远远大于互联网，每个物联网节点都会产生大量的实时数据，这意味着现有的物联网节点需要提升现有的计算和存储能力，投入规模和时间周期都是巨大的挑战。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)现有的轻量级签名方案安全性较低，容易遭受攻击。
(2)现有签名方案往往交互次数较多，节点的计算复杂度比较高，不能满足物联网环境中要求的低延迟、少交互的应用需求。
解决上述技术问题的难度：
(1)安全性和效率之间的平衡一直是相互制约的，一般而言，通过简化一些密码方案可以达到高效性，但是降低了方案的安全性；所以如何在不降低安全性的前提下提高效率是本发明要突破的一个难点。
(2)由于物联网节点的指数级增加，现有带宽成为了瓶颈，本发明寻求一个在不升级带宽的前提下，减少节点与控制中心的交互并压缩数据的方法。
解决上述技术问题的意义：在物联网网络迅速增长的环境中，以最低的代价提高了物联网中数据安全传输的效率，并保证了数据的安全性和完整性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种超轻量级多次签名的数据处理方法、系统、物联网平台。
本发明是这样实现的，一种超轻量级多次签名的数据处理方法，所述超轻量级多次签名的数据处理方法包括以下步骤：
第一步，物联网的管理中心将为物联网节点生成公私钥对；
第二步，物联网节点签名时，将消息分为两部分以减少通信代价，生成并公开签名(rj，sj，cj)和部分消息
Figure BDA0002246711640000021
第三步，验证方首先验证签名的合法性，若签名合法则恢复出完整的消息
Figure BDA0002246711640000022
进一步，所述物联网的管理中心将为物联网节点生成公私钥对，管理中心进行如下操作：
(1)随机选择x∈{1，...，n-1}作为节点的私钥，计算节点的公钥Q＝xG；
(2)计算随机数kj＝H0(x||j)，其中0≤j＜K。计算椭圆曲线上的点Rj＝kjG，Rj点的坐标为(rjx，rjy)；
(3)计算临时私钥zj←H0(x||j)，公开参数
Figure BDA0002246711640000023
(4)管理中心将私钥x和rjx发送给对应的节点；
其中：x：SM2用户的解密私钥；n：基点G的阶；G：椭圆曲线的一个基点，其阶为素数；K：签名的次数；H0消息摘要长度为v比特的密码杂凑函数；Mj：待签名的消息；|Mj|：Mj的长度。
进一步，所述超轻量级多次签名的数据处理方法待签名的消息为Mj，如果|Mj|＜|n|，那么令
Figure BDA0002246711640000024
否则把Mj分成两部分，即
Figure BDA0002246711640000025
且
Figure BDA0002246711640000026
(1)计算随机数kj＝H0(x||j)，其中0≤j＜K；
(2)计算临时私钥zj＝H0(x||j)，部分签名
Figure BDA0002246711640000031
(3)计算数
Figure BDA0002246711640000032
以及
Figure BDA0002246711640000033
的杂凑值
Figure BDA0002246711640000034
(4)计算部分签名rj＝rjx+ej，部分签名sj＝(1+x)-1(k-rjx)；
(5)输出签名(rj，sj，cj)；
其中：Mj：待签名的消息；|Mj|：Mj的长度；H0消息摘要长度为v比特的密码杂凑函数；K：签名的次数；x：SM2用户的解密私钥；n：基点G的阶；Z：SM2算法中用户的公开杂凑值。
进一步，所述超轻量级多次签名的数据处理方法验证者收到签名(rj，sj，cj)，部分签名
Figure BDA0002246711640000035
后通过已有的公开参数，和公钥Q验证签名的合法性并输出完整的消息：
1)计算数
Figure BDA0002246711640000036
以及
Figure BDA0002246711640000037
的杂凑值
Figure BDA0002246711640000038
2)计算数tj＝rj+sj，计算椭圆曲线上的点sjG+tjQ的坐标(rj′x，rj′y)；
3)计算数rj′＝ej+rjx，如果rj′≠rj则验证不通过，终止并退出；否则表示验证通过，进入恢复消息阶段；
4)计算部分消息
Figure BDA0002246711640000039
恢复完整的消息
Figure BDA00022467116400000310
其中：Mj：待签名的消息；|Mj|：Mj的长度；G：椭圆曲线的一个基点，其阶为素数；x：SM2用户的解密私钥；e：密码杂凑函数作用于消息m的输出值。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述超轻量级多次签名的数据处理方法的超轻量级多次签名的数据处理系统，所述超轻量级多次签名的数据处理系统包括：
公私钥对生成模块，用于物联网的管理中心将为物联网节点生成公私钥对；
签名信息公开模块，用于将消息分为两部分以减少通信代价，生成并公开签名和部分消息；
签名合法验证模块，用于实现验证方首先验证签名的合法性，若签名合法则恢复出完整的消息。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述超轻量级多次签名的数据处理方法的信息数据处理终端。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的超轻量级多次签名的数据处理方法。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明的物联网管理中心为节点生成公私钥。物联网节点签名时，将消息分为两部分以减少通信代价，生成并公开签名(rj，sj，cj)和部分消息
Figure BDA0002246711640000041
验证方首先验证签名的合法性，若签名合法则恢复出完整的消启
Figure BDA0002246711640000042
本发明具有安全性高、计算代价小等优点，物联网节点在获得来自管理中心生成的参数后以极小的计算开销产生签名。在基本操作运算中，椭圆曲线上的点乘操作计算代价比较大，点乘操作是由计算能力较强的管理中心完成的，降低其他节点的计算代价并减少了交互次数。
本发明降低了节点的计算复杂度，同时降低了节点之间的通信代价。本发明基于SM2算法的超轻量级多次签名的方法与系统，在保证方案安全的前提下极大程度的降低了物联网节点的计算开销，提升了物联网节点签名的速率。可以在节点存储少量数据的前提下，多次对消息产生签名，且不需要与管理中心多次通信。
附图说明
图1是本发明实施例提供的超轻量级多次签名的数据处理方法流程图。
图2是本发明实施例提供的超轻量级多次签名的数据处理系统的结构示意图；
图中：1、公私钥对生成模块；2、签名信息公开模块；3、签名合法验证模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种超轻量级多次签名的数据处理方法、系统、物联网平台，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的超轻量级多次签名的数据处理方法包括以下步骤：
S101：物联网的管理中心将为物联网节点生成公私钥对；
S102：将消息分为两部分以减少通信代价，生成并公开签名和部分消息；
S103：验证方首先验证签名的合法性，若签名合法则恢复出完整的消息。
如图2所示，本发明实施例提供的超轻量级多次签名的数据处理系统包括：
公私钥对生成模块1，用于物联网的管理中心将为物联网节点生成公私钥对。
签名信息公开模块2，用于将消息分为两部分以减少通信代价，生成并公开签名和部分消息。
签名合法验证模块3，用于实现验证方首先验证签名的合法性，若签名合法则恢复出完整的消息。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
本发明实施例提供的超轻量级多次签名的数据处理方法包括以下步骤：
步骤一，私钥生成算法
物联网的管理中心将为物联网节点生成公私钥对，管理中心进行如下操作：
(1)随机选择x∈{1，...，n-1}作为节点的私钥，计算节点的公钥Q＝xG。
(2)计算随机数kj＝H0(x||j)，其中0≤j＜K。计算椭圆曲线上的点Rj＝kjG，Rj点的坐标为(rjx，rjy)。
(3)计算临时私钥zj←H0(x||j)，公开参数
Figure BDA0002246711640000051
(4)管理中心将私钥x和rjx发送给对应的节点。
第二步，签名算法
待签名的消息为Mj，如果|Mj|＜|n|，那么令
Figure BDA0002246711640000061
否则把Mj分成两部分，即
Figure BDA0002246711640000062
且
Figure BDA0002246711640000063
(1)计算随机数kj＝H0(x||j)，其中0≤j＜K；
(2)计算临时私钥zj＝H0(x||j)，部分签名
Figure BDA0002246711640000064
(3)计算数
Figure BDA0002246711640000065
以及
Figure BDA0002246711640000066
的杂凑值
Figure BDA0002246711640000067
(4)计算部分签名rj＝rjx+ej，部分签名sj＝(1+x)-1(k-rjx)。
(5)输出签名(rj，sj，cj)。
第三步，验证算法
验证者收到签名(rj，sj，cj)，部分签名
Figure BDA0002246711640000068
后通过已有的公开参数，和公钥Q验证签名的合法性并输出完整的消息：
1)计算数
Figure BDA0002246711640000069
以及
Figure BDA00022467116400000610
的杂凑值
Figure BDA00022467116400000611
2)计算数tj＝rj+sj，计算椭圆曲线上的点sjG+tjQ的坐标(rj′x，rj′y)；
3)计算数rj′＝ej+rjx，如果rj′≠rj则验证不通过，终止并退出。否则表示验证通过，进入恢复消息阶段；
4)计算部分消息
Figure BDA00022467116400000612
恢复完整的消息
Figure BDA00022467116400000613
在本发明的实施例中，K：签名的次数；x：SM2用户的解密私钥；e：密码杂凑函数作用于消息m的输出值；G：椭圆曲线的一个基点，其阶为素数；H0消息摘要长度为v比特的密码杂凑函数；KDF()：密钥派生函数；Mj：待签名的消息；|Mj|：Mj的长度；mod n：模n运算，例如，23mod7≡2；n：基点G的阶；o：椭圆曲线上的一个特殊点，称为无穷远点或零点，是椭圆曲线加法群的单位元；x||y：x与y的拼接，其中x，y可以是比特串或字节串；kP：椭圆曲线上点P的k倍点，k是正整数；{x，...，y}：大于或等于x且小于或等于y的整数的集合；(rx，ry)：某一点的x坐标的值和y坐标的值；z：SM2算法中用户的公开杂凑值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超轻量级多次签名的数据处理方法，其特征在于，所述超轻量级多次签名的数据处理方法包括以下步骤：
第一步，物联网的管理中心将为物联网节点生成公私钥对；
第二步，物联网节点签名时，将消息分为两部分以减少通信代价，生成并公开签名(rj，sj，cj)和部分消息
Figure FDA0002246711630000011
第三步，验证方首先验证签名的合法性，若签名合法则恢复出完整的消息
Figure FDA0002246711630000012
2.如权利要求1所述的超轻量级多次签名的数据处理方法，其特征在于，所述物联网的管理中心将为物联网节点生成公私钥对，管理中心进行如下操作：
(1)随机选择x∈{1，...，n-1}作为节点的私钥，计算节点的公钥Q＝xG；
(2)计算随机数kj＝H0(x||j)，其中0≤j＜K；计算椭圆曲线上的点Rj＝kjG，Rj点的坐标为(rjx，rjy)；
(3)计算临时私钥zj←H0(x||j)，公开参数
Figure FDA0002246711630000013
(4)管理中心将私钥x和rjx发送给对应的节点；
其中：x：SM2用户的解密私钥；n：基点G的阶；G：椭圆曲线的一个基点，其阶为素数；K：签名的次数；H0消息摘要长度为v比特的密码杂凑函数；Mj：待签名的消息；|Mj|：Mj的长度。
3.如权利要求1所述的超轻量级多次签名的数据处理方法，其特征在于，所述超轻量级多次签名的数据处理方法待签名的消息为Mj，如果|Mj|＜|n|，那么令
Figure FDA0002246711630000014
否则把Mj分成两部分，即
Figure FDA0002246711630000015
且
Figure FDA0002246711630000016
(1)计算随机数kj＝H0(x||j)，其中0≤j＜K；
(2)计算临时私钥zj＝H0(x||j)，部分签名
Figure FDA0002246711630000017
(3)计算数
Figure FDA0002246711630000018
以及
Figure FDA0002246711630000019
的杂凑值
Figure FDA00022467116300000110
(4)计算部分签名rj＝rjx+ej，部分签名sj＝(1+x)-1(k-rjx)；
(5)输出签名(rj，sj，cj)；
其中：Mj：待签名的消息；|Mj|：Mj的长度；H0消息摘要长度为v比特的密码杂凑函数；K：签名的次数；x：SM2用户的解密私钥；n：基点G的阶；Z：SM2算法中用户的公开杂凑值。
4.如权利要求1所述的超轻量级多次签名的数据处理方法，其特征在于，所述超轻量级多次签名的数据处理方法验证者收到签名(rj，sj，cj)，部分签名
Figure FDA0002246711630000021
后通过已有的公开参数，和公钥Q验证签名的合法性并输出完整的消息：
1)计算数
Figure FDA0002246711630000022
以及
Figure FDA0002246711630000023
的杂凑值
Figure FDA0002246711630000024
2)计算数tj＝rj+sj，计算椭圆曲线上的点sjG+tjQ的坐标(rj′x，rj′y)；
3)计算数r′j＝ej+rjx，如果rj′≠rj则验证不通过，终止并退出；否则表示验证通过，进入恢复消息阶段；
4)计算部分消息
Figure FDA0002246711630000025
恢复完整的消息
Figure FDA0002246711630000026
其中：Mj：待签名的消息；|Mj|：Mj的长度；G：椭圆曲线的一个基点，其阶为素数；x：SM2用户的解密私钥；e：密码杂凑函数作用于消息m的输出值。
5.一种实施权利要求1所述超轻量级多次签名的数据处理方法的超轻量级多次签名的数据处理系统，其特征在于，所述超轻量级多次签名的数据处理系统包括：
公私钥对生成模块，用于物联网的管理中心将为物联网节点生成公私钥对；
签名信息公开模块，用于将消息分为两部分以减少通信代价，生成并公开签名和部分消息；
签名合法验证模块，用于实现验证方首先验证签名的合法性，若签名合法则恢复出完整的消息。
6.一种实现权利要求1～4任意一项所述超轻量级多次签名的数据处理方法的信息数据处理终端。
7.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-4任意一项所述的超轻量级多次签名的数据处理方法。
8.一种实现权利要求1～4任意一项所述超轻量级多次签名的数据处理方法的物联网平台。
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