密碼學 - 一次性簽章

在數位時代,資訊安全的重要性越來越高。隨著量子計算的迅猛發展,傳統的加密方法正面臨著前所未有的挑戰。在這樣的背景下,一次性簽章(One-Time Signature,OTS)作為一種創新的密碼學技術,正吸引著許多研究者和工程師的注意。

本文簡單介紹一次性簽章(OTS)技術,這是一種在後量子密碼學中具有重要地位的數位簽章方法。本文適合對密碼學有一定基礎的讀者,或是對加密技術有興趣的工程師朋友們。

我們將比較不同 OTS 方案的安全性、效能和實際應用,揭示 OTS 在現代密碼學中的優勢和挑戰。文章還提供了 Python 實現程式碼,幫助讀者更好地理解這些概念。最後,我們會討論 OTS 與傳統簽章方案的差異,以及它在量子計算時代的潛在應用前景。

一次性簽章的概念可以追溯到 1979 年,當時 Leslie Lamport 提出了最早的一次性簽章方案。從那時起,這一領域經歷了顯著的發展,產生了多種不同的實現方式,每種都有其獨特的特點和適用場景。密碼學-一次性簽章-1.png

一次性簽章是一種特殊的數位簽章方案,其核心特點是每個金鑰對只能用於生成一次有效簽章。這種「一次性」的特性使得一次性簽章在面對各種攻擊,尤其是量子計算攻擊時,展現出強大的抗性。

隨著我們逐步邁入後量子時代,理解並掌握一次性簽章這一關鍵技術變得愈發重要。不論你是密碼學專家、IT 從業者,還是對資訊安全有興趣的朋友,本文都會為你提供一個全面而深入的一次性簽章技術概覽。

一次性簽章的基本原理

一次性簽章(OTS)是一種獨特的數位簽章系統,其核心理念圍繞著創建一個只能使用一次的簽章機制。這種方法的基礎建立在幾個關鍵概念之上,這些概念共同構成了 OTS 的安全框架和操作原則。

在 OTS 系統中,首先需要生成一對金鑰:私鑰用於簽章,公鑰用於驗證。這對金鑰的特殊之處在於它們被設計為僅使用一次。當用戶需要簽署一條消息時,他們會使用私鑰進行簽章。這個過程通常涉及某種形式的雜湊函數或複雜的數學運算,以確保簽章的唯一性和安全性。

簽章完成後,任何人都可以使用對應的公鑰來驗證簽章的真實性。如果驗證成功,這不僅證明了消息的完整性(即消息未被篡改),還確認了消息確實是由擁有私鑰的人簽署的。這個驗證過程是 OTS 系統的關鍵組成部分,它為整個通訊過程提供了必要的信任基礎。

OTS 的一個核心原則是每個私鑰只能使用一次。一旦私鑰被用於簽章,它就必須被廢棄,不能再次使用。這個「一次性」的特性是 OTS 安全性的關鍵。如果同一個私鑰被多次使用,系統的安全性將大幅降低,容易受到各種密碼分析攻擊。

OTS 的安全性主要基於兩個數學概念:雜湊函數的單向性和某些數學問題的難解性。即使攻擊者獲得了已使用過的私鑰,由於這些數學特性,他們也無法推導出未來的簽章或偽造新的有效簽章。此外,許多 OTS 方案還依賴於強隨機數生成器來增強其安全性,進一步提高了系統抵抗各種攻擊的能力。

然而,OTS 系統的設計也帶來了一些挑戰,主要是在金鑰管理方面。由於每對金鑰只能使用一次,系統需要有效的機制來生成、儲存和管理大量的金鑰對。這增加了系統的複雜性,同時也對儲存和計算資源提出了更高的要求。

OTS 的一個重要特性是它們在理論上能夠抵抗量子電腦的攻擊。這使得 OTS 在後量子密碼學中扮演著重要角色,成為未來密碼系統的潛在候選者。然而,這種高度的安全性通常以較大的金鑰和簽章大小為代價,這是在實際應用中需要權衡的因素。

總結來說,一次性簽章的基本原理表現了密碼學中安全性和實用性的平衡。通過巧妙地結合數學原理、金鑰管理策略和一次性使用的概念,OTS 為數位通訊提供了一種獨特而強大的安全機制。隨著量子計算的發展和安全需求的不斷提高,理解和應用這些原理將變得越來越重要,為未來的密碼系統發展奠定基礎。

主要的一次性簽章方案

一次性簽章技術自其誕生以來經歷了顯著的演變,產生了多種不同的方案,每種方案都有其獨特的特點和應用場景。本章節將深入探討幾種主要的一次性簽章方案,揭示它們的工作原理、優勢以及在實際應用中的潛力。

Lamport 簽章

Lamport 簽章是最早提出的一次性簽章方案之一,由 Leslie Lamport 於 1979 年設計。這種方法的核心思想是使用雜湊函數來創建一個安全的簽章系統。
論文可以參考 Lamport 簽章,相當簡明。

產生金鑰

在 Lamport 簽章中,私鑰是由 512 個 256 bit 隨機數,兩兩一組。
而公鑰則是這些隨機數的雜湊值。

以下是如何產生金鑰的程式碼:

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import hashlib
import secrets

private_key = [[None for _ in range(256)] for _ in range(2)]
public_key = [[None for _ in range(256)] for _ in range(2)]
for i in range(256):
private_key[0][i] = secrets.token_bytes(32) # 256 bit
private_key[1][i] = secrets.token_bytes(32)
public_key[0][i] = hashlib.sha256(private_key[0][i]).digest()
public_key[1][i] = hashlib.sha256(private_key[1][i]).digest()

產生簽章

首先,先將要簽章的訊息進行雜湊函數計算,得到一個 256 bit 的雜湊值。
接下來對於雜湊值的每一個位元進行比較,如果當下的 bit 是 0 那就選擇私鑰對應位置的第一個金鑰,如果當下的 bit 是 1
那就選擇第二個金鑰。

如此一來就會產生了一個 256 個 256 bit 的數字序列,這個序列就是簽章。

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import hashlib


def generate_signature(message, secret_keys):
# Convert the message to bytes if it's not already
if isinstance(message, str):
message = message.encode('utf-8')

# Hash the message
hashed_message = hashlib.sha256(message).digest()

# Convert hash to an integer (little endian)
msg_int = int.from_bytes(hashed_message, 'little')

# Generate the signature
signature = []
for i in range(256):
bit = (msg_int >> i) & 1
signature.append(secret_keys[bit][i])

return signature


# Example usage
raw_message = 'Hello, World! I am the message.'
signature = generate_signature(raw_message, private_key) # Assuming 'sk' is defined as before

print(f"Message: {raw_message}")
print(f"Signature length: {len(signature)}")
print(f"First few bytes of signature: {signature[:5]}")

驗證簽章

驗證簽章的方式就是對訊息進行雜湊函數計算,再跟公開的金鑰對比每個位元的結果。

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def verify_signature(message, signature, public_keys):
"""
Verify the digital signature of a given message.

:param message: The original message (bytes or string)
:param signature: The signature to verify (list of 256 byte strings)
:param public_keys: The public key set (2x256 list of byte strings)
:return: Boolean indicating if the signature is valid
"""
# Convert the message to bytes if it's not already
if isinstance(message, str):
message = message.encode('utf-8')

# Hash the message
hashed_message = hashlib.sha256(message).digest()

# Convert hash to an integer (little endian)
msg_int = int.from_bytes(hashed_message, 'little')

try:
for i in range(256):
bit = (msg_int >> i) & 1
if hashlib.sha256(signature[i]).digest() != public_keys[bit][i]:
return False
return True
except Exception as e:
print(f"Error during signature verification: {e}")
return False


# Assuming 'signature' and 'pk' (public keys) are already defined
is_valid = verify_signature(raw_message, signature, public_key)

print(f"Message: {raw_message}")
print(f"Signature is valid: {is_valid}")

在這裏顯而易見的是,雖然 Lamport 簽章提供了強大的安全性,但它的主要缺點是產生較大的金鑰較大的簽章尺寸

Merkle 簽章方案

Merkle 簽章是由 Ralph Merkle 在 1979 年提出的一種多次性簽章方案,主要是真對 Lamport 簽章的改進。它通過使用 Merkle
樹結構,大大減少了公鑰的大小,同時保持了高度的安全性。

關於 Merkle 簽章的詳細論述可以參考 Merkle 的原始論文:
SECRECY, AUTHENTICATION, AND PUBLIC KEY SYSTEMS

產生金鑰

產生方法基本上跟 Lamport 簽章一樣,只是在產生金鑰時從一整條路徑變成根到葉節點的路徑。
這就建構了一個 Merkle 樹,而 Merkle 樹的根就是最終的公鑰。

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import hashlib
import secrets


def generate_lamport_keypair():
private_key = [[secrets.token_bytes(32) for _ in range(256)] for _ in range(2)]
public_key = [[hashlib.sha256(private_key[i][j]).digest() for j in range(256)] for i in range(2)]
return private_key, public_key


def hash_public_key(public_key):
# 直接返回公鑰的串聯,不進行額外的雜湊
return b''.join(b''.join(row) for row in public_key)


class MerkleTree:
def __init__(self, leaves):
self.leaves = leaves
self.layers = [leaves]
self.build_tree()

def build_tree(self):
layer = self.leaves
while len(layer) > 1:
next_layer = []
for i in range(0, len(layer), 2):
if i + 1 < len(layer):
next_layer.append(hashlib.sha256(layer[i] + layer[i + 1]).digest())
else:
next_layer.append(layer[i])
self.layers.append(next_layer)
layer = next_layer
self.root = layer[0]

def get_proof(self, index):
proof = []
for layer in self.layers:
if index % 2 == 0:
if index + 1 < len(layer):
proof.append(('R', layer[index + 1]))
else:
proof.append(('L', layer[index - 1]))
index //= 2
return proof


# Generate Merkle tree
num_keypairs = 8
lamport_keypairs = [generate_lamport_keypair() for _ in range(num_keypairs)]
public_key_hashes = [hash_public_key(pk) for _, pk in lamport_keypairs]
merkle_tree = MerkleTree(public_key_hashes)

產生簽章

Merkle 簽章的生成過程包括兩個部分:

  1. 使用 Lamport 簽章方案對訊息進行簽章
  2. 提供 Merkle 樹中從葉節點到根的路徑作為驗證路徑

為簡單示範,我們先用第一個 keypair 來簽章。

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# Sign a message
message = "Hello, Merkle signature!"
keypair_index = 0 # Use the first keypair
private_key, public_key = lamport_keypairs[keypair_index]

merkle_proof = merkle_tree.get_proof(keypair_index)

驗證簽章

驗章原理跟 Lamport 簽章一樣,只是路徑變成是根到葉節點的路徑。

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import hashlib
import secrets


def hash_public_key(public_key):
# 直接返回公鑰的串聯,不進行額外的雜湊
return b''.join(b''.join(row) for row in public_key)


class MerkleTree:
def __init__(self, leaves):
self.leaves = leaves
self.layers = [leaves]
self.build_tree()

def build_tree(self):
layer = self.leaves
while len(layer) > 1:
next_layer = []
for i in range(0, len(layer), 2):
if i + 1 < len(layer):
next_layer.append(hashlib.sha256(layer[i] + layer[i + 1]).digest())
else:
next_layer.append(layer[i])
self.layers.append(next_layer)
layer = next_layer
self.root = layer[0]

def get_proof(self, index):
proof = []
for layer in self.layers:
if index % 2 == 0:
if index + 1 < len(layer):
proof.append(('R', layer[index + 1]))
else:
proof.append(('L', layer[index - 1]))
index //= 2
return proof


def verify_proof(leaf, proof, root):
current = leaf
for direction, sibling in proof:
if direction == 'L':
current = hashlib.sha256(sibling + current).digest()
else:
current = hashlib.sha256(current + sibling).digest()
return current == root


# Verify the signature
leaf_hash = hash_public_key(public_key)
is_merkle_valid = verify_proof(leaf_hash, merkle_proof, merkle_tree.root)

print(f"Message: {message}")
print(f"Merkle proof valid: {is_merkle_valid}")

Winternitz One-Time Signature (Winternitz 簽章)

Winternitz 簽章 (WOTS) 是一種改進的一次性簽章方案,由 Robert Winternitz 在 1980 年代提出。
它的主要優勢是能夠顯著減少簽章和公鑰的大小,同時保持高度的安全性。

而 WOTS 的核心思想是使用可重複應用的單向函數(通常是雜湊函數)來構建簽章。這種方法允許我們用較少的 bit 來表示更多的資訊,從而減小簽章的大小。

產生金鑰

Winternitz One-Time Signature (WOTS) 的金鑰生成過程是這個方案的核心部分。這個過程涉及幾個關鍵步驟,旨在創建一個安全且高效的一次性簽章系統。

以下是 WOTS 金鑰生成的基本流程:

  1. 選擇參數:

    • 首先,選擇 Winternitz 參數 w(通常為 4、8 或 16)。
    • 確定安全參數 n(通常是雜湊函數的輸出位元數,如 256 位)。
  2. 計算鏈長度:

    • 計算 l1 = ⌈n / w⌉ (消息摘要的鏈數)。
    • 計算 l2 = ⌊log2 (l1 * (2w - 1)) / w⌋ + 1 (校驗和的鏈數)。
    • 總鏈數 l = l1 + l2
  3. 生成私鑰:

    • 創建 l 個隨機字串,每個長度為 n 位元。這些字串構成私鑰
  4. 計算公鑰:

    • 對每個私鑰字串,應用雜湊函數 2w - 1 次。
    • l 個雜湊鏈的最終值組成公鑰。
  5. 金鑰壓縮(可選):

    • 可以使用 L-樹來壓縮公鑰,減少其大小。

這個過程的關鍵在於創建一系列雜湊鏈,每條鏈的起點是私鑰的一部分,終點是公鑰的對應部分。這種結構允許在簽章過程中僅揭示鏈的一部分,從而保持系統的安全性。

WOTS 的設計使其在抵抗量子計算攻擊方面表現出色,同時提供了比某些其他一次性簽章方案(如 Lamport 簽章)更小的簽章大小。然而,這是以增加計算複雜度為代價的。

在實際應用中,WOTS 常常與其他結構(如 Merkle 樹)結合使用,以創建更實用的多次簽章系統。

簽章

WOTS 的簽章過程是該方案的核心,它利用了雜湊函數的單向性來創建安全的數位簽章。以下是 WOTS 簽章過程的詳細步驟:

1. 參數選擇
  • 選擇 Winternitz 參數 w (通常為 4、8 或 16)
  • 確定安全參數 n (通常是雜湊函數的輸出位元數,如 256 位)
  • 計算 l1 = ⌈n / w⌉ (消息摘要的鏈數)
  • 計算 l2 = ⌊log₂(l1 * (2^w - 1)) / w⌋ + 1 (校驗和的鏈數)
  • 總鏈數 l = l1 + l2
2. 消息預處理
  1. 計算消息的雜湊值 M = Hash(message),得到 n 位元的摘要
  2. 將 M 分割成 l1 個 w 位元的區塊: m₁, m₂, …, m_{l1}
  3. 計算校驗和 C = ∑(i=1 到 l1) (2^w - 1 - mᵢ)
  4. 將 C 轉換為位元串並填充到 l2 * w 位元
  5. 將 C 分割成 l2 個 w 位元的區塊: c₁, c₂, …, c_{l2}
  6. 形成最終的消息表示: b₁, b₂, …, b_l,其中 bᵢ = mᵢ (1 ≤ i ≤ l1),b_{l1+j} = c_j (1 ≤ j ≤ l2)
3. 簽章生成

對於每個區塊 bᵢ (1 ≤ i ≤ l):

  1. 取私鑰的第 i 個元素 skᵢ
  2. 計算 σᵢ = F^{bᵢ}(skᵢ),其中 F^k 表示應用雜湊函數 F 連續 k 次

最終簽章 σ = (σ₁, σ₂, …, σ_l)

4. 簽章驗證

接收方收到消息 M 和簽章 σ = (σ₁, σ₂, …, σ_l) 後:

  1. 使用與簽署者相同的方法處理消息 M,得到 b₁, b₂, …, b_l
  2. 對於每個 i (1 ≤ i ≤ l):
    • 計算 pkᵢ’ = F^{2^w - 1 - bᵢ}(σᵢ)
  3. 比較計算得到的 pk’ = (pk₁’, pk₂’, …, pk_l’) 與公鑰 pk 是否相同

如果 pk’ = pk,則簽章有效。

圖示說明
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       消息 M
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雜湊(Hash(M))
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v v
消息區塊 校驗和
m₁,...,m_{l1} C
| |
| 分割成 c₁,...,c_{l2}
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+----+----+
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v
b₁, b₂, ..., b_l
|
+----+----+
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v v
私鑰 sk₁,...,sk_l
|
v
F^{b₁},...,F^{b_l}
|
v
簽章 σ₁,...,σ_l

這個過程的核心思想是使用私鑰元素作為起點,根據消息的每個區塊值決定應用雜湊函數的次數,從而產生簽章。驗證過程則是反向進行,通過對簽章元素應用補充次數的雜湊函數,重建公鑰並進行比較。

WOTS 的安全性主要基於雜湊函數的單向性和抗碰撞性。因為每個私鑰只使用一次,即使攻擊者獲得了簽章,也無法逆推出完整的私鑰資訊。然而,這也意味著每個金鑰對只能安全地用於一次簽章,這是 WOTS 作為一次性簽章方案的主要限制。

在實際應用中,WOTS 常常與其他結構(如 Merkle 樹)結合使用,以創建可以多次使用的簽章系統,同時保持抗量子計算的優勢。

以下是 WOTS 完整流程的範例。

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import hashlib
import math
import secrets


def hash_function(data):
"""SHA-256 雜湊函數。"""
return hashlib.sha256(data).digest()


def int_to_bytes(value, length):
"""將整數轉換為指定長度的位元組串。"""
return value.to_bytes(length, byteorder='big')


def bytes_to_int(b):
"""將位元組串轉換為整數。"""
return int.from_bytes(b, byteorder='big')


def base_w(X, w, l):
"""
將整數 X 轉換為以 w 為基數、長度為 l 的數字列表。
"""
digits = []
for _ in range(l):
digits.append(X % w)
X //= w
digits += [0] * (l - len(digits)) # 填充至長度 l
return digits[::-1] # 反轉列表以保持正確順序


def checksum(base_w_message, w, l2):
"""
計算訊息的校驗和。
"""
csum = sum(w - 1 - x for x in base_w_message)
csum_len = l2
csum_digits = base_w(csum, w, csum_len)
return csum_digits


def generate_wots_parameters(n, w):
"""
根據安全參數 n 和 Winternitz 參數 w 計算 WOTS 參數 l1、l2 和 l。
"""
l1 = math.ceil(n / math.log2(w))
l2 = math.ceil(math.log2(l1 * (w - 1)) / math.log2(w))
l = l1 + l2
return l1, l2, l


def generate_wots_keypair(n=256, w=16):
"""
生成 WOTS 金鑰對。
"""
l1, l2, l = generate_wots_parameters(n, w)
# 生成 l 個隨機的 n 位私鑰元素
sk = [secrets.token_bytes(n // 8) for _ in range(l)]
# 計算公鑰
pk = []
for i in range(l):
key = sk[i]
for _ in range(w - 1):
key = hash_function(key)
pk.append(key)
return sk, pk


def wots_sign(message, sk, n=256, w=16):
"""
使用 WOTS 對訊息進行簽章。
"""
l1, l2, l = generate_wots_parameters(n, w)
# 將訊息進行雜湊
msg_hash = hash_function(message.encode())
# 將雜湊值轉換為以 w 為基數的數字列表
msg_int = bytes_to_int(msg_hash)
base_w_msg = base_w(msg_int, w, l1)
# 計算校驗和
csum_digits = checksum(base_w_msg, w, l2)
# 合併訊息和校驗和數字列表
digits = base_w_msg + csum_digits
# 生成簽章
signature = []
for i in range(l):
key = sk[i]
for _ in range(digits[i]):
key = hash_function(key)
signature.append(key)
return signature


def wots_verify(message, signature, pk, n=256, w=16):
"""
驗證 WOTS 簽章。
"""
l1, l2, l = generate_wots_parameters(n, w)
# 將訊息進行雜湊
msg_hash = hash_function(message.encode())
# 將雜湊值轉換為以 w 為基數的數字列表
msg_int = bytes_to_int(msg_hash)
base_w_msg = base_w(msg_int, w, l1)
# 計算校驗和
csum_digits = checksum(base_w_msg, w, l2)
# 合併訊息和校驗和數字列表
digits = base_w_msg + csum_digits
# 計算簽章對應的公鑰
computed_pk = []
for i in range(l):
key = signature[i]
for _ in range(w - 1 - digits[i]):
key = hash_function(key)
computed_pk.append(key)
# 比較計算得到的公鑰和原始公鑰
return computed_pk == pk


# 範例使用
if __name__ == "__main__":
n = 256 # 安全參數,雜湊函數輸出位數
w = 16 # Winternitz 參數,可調整
sk, pk = generate_wots_keypair(n, w)
message = "Hello, Winternitz signature!"
signature = wots_sign(message, sk, n, w)
is_valid = wots_verify(message, signature, pk, n, w)
print(f"訊息: {message}")
print(f"簽章有效性驗證結果: {is_valid}")

你可以試著自己跑跑看。

安全性分析

接下來,我們將介紹一次性簽章方案的安全分析,主要會基於以下幾個方面來判斷:

  • 雜湊函數的抗碰撞性: 所有這些方案都依賴於雜湊函數的安全性。如果雜湊函數被破解,整個系統的安全性就會受到威脅。
  • 一次性使用: 這些方案的安全性嚴重依賴於每個金鑰對只使用一次。多次使用同一金鑰對會大大降低安全性。
  • 抗量子計算: 一次性簽章方案被認為是抗量子的,因為它們不依賴於質因數分解離散對數等問題。
  • 隨機數生成器: 生成私鑰時使用的隨機數生成器的安全性可能直接影響系統的安全性。

Lamport 簽章

Lamport 簽章的安全性主要基於雜湊函數的單向性。只要雜湊函數保持安全,Lamport 簽章就被認為是安全的。然而,它的主要缺點是大的金鑰和簽章尺寸。

Merkle 簽章

Merkle 簽章結合了 Lamport 簽章的安全性和 Merkle 樹的效率。它的安全性取決於底層一次性簽章方案(如 Lamport)的安全性和雜湊函數的抗碰撞性。

Winternitz 簽章

Winternitz 簽章提供了可調整的安全性參數 w。
而較小的 w 值會提高安全性並減少計算成本,但會增加簽章大小;較大的 w 值會減小簽章大小,但可能略微降低安全性,並增加計算成本。這是因為較大的
w 值需要更多次的雜湊運算。

效能比較

方案金鑰大小簽章大小生成速度驗證速度
Lamport 簽章非常大非常大
Merkle 簽章中等中等
Winternitz 簽章中等中等中等
  • Lamport 簽章
    • 金鑰大小:私鑰和公鑰都需要儲存大量的隨機數,對於 256 位安全性,公鑰和私鑰大小約為 256 × 2 × 256 = 131,072 位元(約 16
      KB)。
    • 簽章大小:與金鑰大小類似,約為 16 KB。
    • 生成速度:由於只需要一次雜湊運算,生成速度快。
    • 驗證速度:需要對每個位元進行雜湊驗證,共 256 次,速度快。
  • Merkle 簽章
    • 金鑰大小:公鑰為 Merkle 樹的根,大小為單個雜湊值(256 位元)。私鑰需要儲存多個一次性簽章的私鑰,總大小較大,但比 Lamport
      簽章更優。
    • 簽章大小:包含一次性簽章和 Merkle 路徑,大小比 Lamport 簽章小,但仍較大。
    • 生成速度:需要計算 Merkle 樹,生成速度中等。
    • 驗證速度:需要驗證 Merkle 路徑,速度中等。
  • Winternitz 簽章
    • 金鑰大小:私鑰和公鑰大小與 Lamport 簽章相當,甚至可能更大,因為需要儲存更多的雜湊鏈。
    • 簽章大小:透過調整 Winternitz 參數 w,w=16 時,簽章大小約為 5 KB。
    • 生成速度:需要進行大量的雜湊運算,生成速度中等。
    • 驗證速度:同樣需要大量的雜湊運算,驗證速度中等。

總結:

Lamport 簽章:非常簡單且速度快,但金鑰和簽章尺寸非常大,實際應用受限。
Merkle 簽章:透過 Merkle 樹有效減少公鑰大小,實現多次簽章,但增加了計算複雜度。
Winternitz 簽章:在簽章大小和計算效率之間提供了權衡,可調整參數以適應需求,但金鑰大小仍然較大,生成和驗證速度中等。

與傳統簽章方案的比較

特性一次性簽章傳統簽章 (如 RSA, ECDSA)
金鑰使用一次多次
抗量子能力
金鑰大小
簽章大小大至非常大
計算複雜度高(大量雜湊運算)低(經過最佳化的數學運算)
安全性基礎雜湊函數數論問題(如質因數分解、橢圓曲線離散對數)
金鑰管理複雜(需管理大量金鑰對)簡單(單一金鑰對)

說明:

  • 金鑰使用:
    • 一次性簽章方案每個金鑰對只能使用一次,增加了金鑰管理的複雜性。
    • 傳統簽章方案允許同一金鑰對多次使用,金鑰管理較為簡單。
  • 抗量子能力:
    • 一次性簽章方案基於雜湊函數,被認為對量子攻擊具有較強的抵抗力。
    • 傳統簽章方案(如 RSA、ECDSA)在量子計算下可能被破解。
  • 金鑰和簽章大小:
    • 一次性簽章的金鑰和簽章大小通常較大,可能影響實際應用中的傳輸和儲存。
    • 傳統簽章方案的金鑰和簽章尺寸較小,更適合資源受限的環境。
  • 計算複雜度:
    • 一次性簽章需要大量的雜湊運算,計算複雜度較高,簽章和驗證速度可能較慢。
    • 傳統簽章方案經過最佳化,計算效率高,簽章和驗證速度快。

總結:

選擇簽章方案需要根據具體的應用場景和安全需求進行權衡。在後量子時代,一次性簽章方案因其抗量子攻擊的特性,可能在高安全性需求的領域中獲得更多應用。然而,其金鑰和簽章大小較大,計算複雜度較高,金鑰管理也更為複雜,需要在實際應用中予以考量。

結論

一次性簽章(OTS)作為一種重要的後量子密碼學技術,為數位安全提供了獨特而強大的保護機制。通過本文的深入探討,我們得出了以下結論:

  • 安全性優勢:
    • OTS 基於雜湊函數的單向性和抗碰撞性,對於傳統和量子計算攻擊都具有強大的抵抗力。
    • 一次性使用的原則確保了金鑰的安全性,降低了金鑰洩露和重放攻擊的風險。
  • 效能權衡:
    • 雖然 OTS 在安全性方面表現出色,但其金鑰和簽章大小較大,計算複雜度較高,需要大量的雜湊運算。
    • 不同的 OTS 方案提供了在金鑰大小、簽章大小和計算效率之間的權衡,允許根據具體需求進行選擇。
  • 應用前景:
    • 在量子計算威脅日益增加的背景下,OTS 在高安全性需求的領域(如軍事、政府機密、長期資料保護)中具有廣闊的應用前景。
    • 現代的後量子簽章方案(如 XMSS、SPHINCS+)基於 OTS,已在國際密碼學界受到重視,並參與 NIST 的標準化過程。
  • 技術挑戰:
    • 金鑰管理的複雜性是 OTS 的主要挑戰之一。透過使用 Merkle 樹等技術,可以實現多次簽章,減少金鑰管理負擔。
    • 計算效率的提升和金鑰、簽章大小的最佳化是未來研究的重要方向。
  • 未來發展:
    • 結合 OTS 與其他密碼學技術,如 Merkle 樹、Lattice-based 加密等,有望構建更高效、安全的簽章方案。
    • 持續關注國際標準化程序,採用被廣泛認可的後量子簽章方案,確保系統的長期安全性。

一次性簽章技術在後量子時代具有重要的戰略意義。雖然在實際應用中存在一些挑戰,但透過技術創新和方案最佳化,這些問題有望得到解決。我們需要根據具體的應用場景和安全需求,權衡 OTS 的優勢和局限性,選擇最適合的安全解決方案,為構建更安全的數位世界貢獻力量。

名詞解釋

  • 一次性簽章(OTS): 一種數位簽章技術,每個金鑰對只能用於生成一次有效簽章。
  • Lamport簽章: 由Leslie Lamport提出的最早OTS方案之一,基於雜湊函數的單向性。
  • Merkle簽章: 結合Lamport簽章和Merkle樹結構的OTS方案,用於減少公鑰大小。
  • Winternitz簽章: 一種改進的OTS方案,通過可重複應用的單向函數減少簽章大小。
  • 雜湊函數: 將任意長度的輸入資料映射為固定長度輸出的函數,在密碼學中廣泛使用。
  • 量子計算: 利用量子力學原理進行計算的技術,可能對某些傳統加密方法構成威脅。
  • 公鑰密碼學: 使用一對金鑰(公鑰和私鑰)的密碼系統。在加密系統中,公鑰用於加密,私鑰用於解密;在數位簽章系統中,私鑰用於生成簽章,公鑰用於驗證簽章。
  • Merkle樹: 一種樹形資料結構,用於高效且安全地驗證大量資料的內容。
  • 後量子密碼學: 研究在量子電腦存在的情況下仍然安全的加密系統。
  • 金鑰管理: 密碼系統中負責生成、分發、儲存和更新金鑰的過程。

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