基于代理的多方公平交換簽名方案

任雙廷,王 箭

(南京航空航天大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210016)

基于代理的多方公平交換簽名方案

任雙廷,王 箭

(南京航空航天大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210016)

在公平交換方案中，允許兩個(gè)或者多個(gè)參與者以一種公平的方式進(jìn)行信息交換。所謂公平是指：所有參與者都能得到所要交換的信息，或者所有參與者都無(wú)法得到所要交換的信息。提出一種基于代理的多方公平交換簽名方案。在該方案中，參與者首先以一種公平的方式進(jìn)行授權(quán)交換，一旦授權(quán)交換成功，則每個(gè)參與者可以代表其他參與者對(duì)指定的文件進(jìn)行代理多簽名，從而公平地實(shí)現(xiàn)了多方公平交換簽名中每個(gè)參與者對(duì)其他參與者的約束，以及實(shí)現(xiàn)了多方公平交換簽名。相對(duì)于其他的多方公平交換方案，該方案的原理既可應(yīng)用于一對(duì)多類型的多方公平交換簽名方案，也可應(yīng)用于多對(duì)多類型的多方公平交換簽名方案。此外，該多簽名的公平交換并不依賴于可信或半可信的第三方，從而消除了公平交換簽名的應(yīng)用瓶頸。

代理；多方公平；公平交換；授權(quán)

1 概 述

1996年，N.Asokan等首先對(duì)多方公平交換協(xié)議進(jìn)行了研究[1]，此后，多方公平交換協(xié)議的研究受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，多方公平交換協(xié)議又可以分為兩類，即一對(duì)多的公平交換協(xié)議[2-6]和多對(duì)多的公平交換協(xié)議[7-13]。此外，多方公平交換協(xié)議和兩方公平交換協(xié)議比較類似，又可根據(jù)是否使用第三方分為三類，即不帶可信第三方的多方公平交換協(xié)議、在線可信第三方的公平交換協(xié)議以及離線可信第三方的公平交換協(xié)議。1996年，N.Asokan在原有兩方公平交換方案的基礎(chǔ)上再次給出了多方公平交換的概念[14],方案允許多個(gè)參與者公平地交換電子信息。與兩方公平交換協(xié)議類似：不帶可信第三方的多方公平交換協(xié)議難以實(shí)現(xiàn)真正的公平，而在使用第三方的多方公平交換協(xié)議中，協(xié)議的安全性又過(guò)于依賴可信第三方的安全性。一旦可信第三方出現(xiàn)安全問(wèn)題，整個(gè)協(xié)議都將失去其應(yīng)有的價(jià)值，也就是說(shuō)，可信第三方的使用成為制約多方公平交換協(xié)議應(yīng)用的瓶頸[15-17]。針對(duì)這一問(wèn)題，又有一些學(xué)者提出了半可信第三方的概念[10-12]，但仍然未能很好地解決可信第三方的問(wèn)題。

代理簽名最早由Mambo等在1996年提出[18]，是指：在一個(gè)簽名方案中，原始簽名人通過(guò)代理權(quán)限的授予，使得代理簽名人具有代表原始簽名人進(jìn)行簽名的權(quán)力，即，允許原始簽名人將自身的簽名權(quán)力委托給代理簽名人。有時(shí)人們需要一個(gè)代理人同時(shí)代表若干個(gè)原始簽名人進(jìn)行簽名，這就是代理多簽名體制[19-25]。

文中提出一種基于代理的多方公平交換簽名協(xié)議。在該協(xié)議中，每個(gè)參與者首先與其他參與者交換他們的授權(quán)，一旦授權(quán)交換成功，參與者就可以依據(jù)所獲得的授權(quán)進(jìn)行代理簽名，從而代替其他參與者對(duì)某一指定文件進(jìn)行代理多簽名。最終，每個(gè)參與者能得到對(duì)其他參與者具有約束效力的簽名。相對(duì)于已提出的公平交換簽名協(xié)議，所提方案不需要用到可信第三方，而且可以實(shí)現(xiàn)簽名的多方公平交換。

2 前提知識(shí)

2.1 符號(hào)介紹

i：序號(hào)為i的參與者。

PB：一個(gè)用于展示消息的公共平臺(tái),可以被看作如同網(wǎng)絡(luò)般的一個(gè)公共環(huán)境而不是可信第三方。

Wij：由i制作的將要發(fā)送給j的授權(quán)。

Vij：參與者i的一般簽名，j為i所發(fā)送授權(quán)的接收方。在這里,文中并沒(méi)有指定特殊的簽名方案,在實(shí)踐中,要求所選擇的簽名方案都能被參與者雙方所接受。

EPK_abolish：用公鑰PK對(duì)某一數(shù)據(jù)進(jìn)行加密后得到的密文。在實(shí)踐中,所選擇的加密方案必須是參與者雙方都能夠接受的。

PMVi：由i所制作的代理多簽名。文中并沒(méi)有給出確切的代理簽名方案,在實(shí)踐中,應(yīng)該由參與者共同協(xié)商決定。

Vi_abolish：i所制作的一般簽名。

2.2 假 設(shè)

公平：在n個(gè)參與者中，要么所有參與者都能制作出對(duì)其他n-1個(gè)參與者具有約束力的代理多簽名；要么所有參與者都不能得到對(duì)其他參與者具有約束力的代理多簽名。

3 基于授權(quán)的多方公平交換簽名方案

3.1 簡(jiǎn) 述

所提方案原理為：首先，每個(gè)參與者都制作n-1個(gè)授權(quán)，并將它們發(fā)送給相應(yīng)的其他參與者，以期實(shí)現(xiàn)授權(quán)的多方公平交換。交換成功則執(zhí)行下一步，即，所有參與者使用來(lái)自其他參與者的授權(quán)代表其他參與者制作具有約束力的代理簽名；交換不成功,則所有參與者所得到的授權(quán)將在生效前被撤銷，任何人都無(wú)法據(jù)此得到對(duì)其他參與者具有約束力的代理多簽名，從而實(shí)現(xiàn)了簽名的多方公平交換。

3.2 對(duì)授權(quán)的多方公平交換的分類

由于所提方案是以授權(quán)的公平交換為基礎(chǔ)的，所以對(duì)授權(quán)的交換公平性及應(yīng)對(duì)方略進(jìn)行如下分類。

(1)所有參與者都是誠(chéng)實(shí)的，則他們能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)授權(quán)的公平交換；

(2)參與者中的某一個(gè)是不誠(chéng)實(shí)的，則所有參與者所得到的授權(quán)都將在生效前被撤銷；

(3)多個(gè)參與者是不誠(chéng)實(shí)的，此種情況可以歸類到2當(dāng)中。

從以上分類可知：如果所有參與者都能實(shí)現(xiàn)授權(quán)的公平交換，他們就可以使用得到的授權(quán)代表其他參與者制作具有約束效力的代理多簽名，否則，所有授權(quán)都將在生效前被撤銷，任何人都無(wú)法從中得到對(duì)其他人具有約束力的代理多簽名，從而達(dá)到公平交換簽名的效果。

3.3 定 義

該方案中具有兩類實(shí)體參與者i和公告牌PB。

定義：該方案是一個(gè)元組(Init,Authorization,AuthorizationVerifying,ProxyMulti-Signature,Recovery)。

(1)Init(初始化):算法輸入安全參數(shù)1k(k∈N),產(chǎn)生系統(tǒng)公共參數(shù)params。

(2)Authorization(授權(quán)發(fā)送):參與者制作n-1個(gè)授權(quán)(Wi1,Vi1),…,(Wi(n-1),Vi(n-1))，并分發(fā)給其他相應(yīng)的參與者。

(3)AuthorizationVerifying(授權(quán)驗(yàn)證):參與者對(duì)所有接收到的授權(quán)進(jìn)行驗(yàn)證，一旦出現(xiàn)驗(yàn)證不成立的情況,則分以下兩種情況進(jìn)行處理：還未發(fā)送自己制作的授權(quán)，則終止協(xié)議；已發(fā)送自己制作的授權(quán)，則啟動(dòng)恢復(fù)協(xié)議。

(4)Recovery(恢復(fù)):算法發(fā)送警報(bào)消息到PB,撤銷所有已交換授權(quán)的有效性。

(5)ProxyMulti-Signature(代理多簽名):每個(gè)參與者使用已得到的合法授權(quán)代表其他參與者行使簽名權(quán)，產(chǎn)生對(duì)其他參與者具有約束效力的代理多簽名。

3.4 簽名方案

(1)Init(初始化)：所有參與者協(xié)商確定時(shí)間參數(shù)TO，Tabolish，TE，Tabolish

(2)Authorization(授權(quán)發(fā)送)：序號(hào)為1的參與者制定n-1個(gè)授權(quán)(W12,V12),…,(W1n,V1n)并分發(fā)給相應(yīng)的參與者，W1j= (ID1,IDj,scope1,TO,TE,EPK_abolish, etc)。其中，EPK_abolish為用PK對(duì)Tabolish進(jìn)行加密后得到的密文。然后序號(hào)為1的參與者將所有制作的授權(quán)以及簽名分別發(fā)送給相應(yīng)的其他參與者。

for(i=2,i<=n,i++)

1→i:W1i,V1i

此后，序號(hào)為2的參與者重復(fù)序號(hào)為1的參與者的操作，依此類推。

(3)AuthorizationVerifying(授權(quán)驗(yàn)證)。每個(gè)接受者對(duì)已得到的授權(quán)進(jìn)行驗(yàn)證：在時(shí)間TO前，所有參與者都得到了來(lái)自其他參與者的合法授權(quán)，則授權(quán)的公平交換過(guò)程結(jié)束。在時(shí)間TE后，每個(gè)參與者啟用代理多簽名算法：使用得到的授權(quán)代表其他n-1個(gè)參與者行使代理多簽名，從而每個(gè)參與者都得到了對(duì)其他n-1個(gè)參與者都具有約束效力的簽名(代理多簽名)；一旦在時(shí)間TO后，有參與者沒(méi)能得到其本應(yīng)得到的所有合法授權(quán)，則該參與者可啟動(dòng)恢復(fù)算法。

(4)Recovery(恢復(fù))：在時(shí)間TE前對(duì)EPK_abolish進(jìn)行解密，得到Tabolish，并將其和自己的簽名一起發(fā)送給PB，從而在交換過(guò)程中產(chǎn)生的所有授權(quán)都被撤銷。任何人都不能再使用簽名所得到的授權(quán)行使代理簽名權(quán)，也即任何人都無(wú)法得到對(duì)其他參與者具有約束效力的簽名(代理簽名)。

(5)ProxyMulti-Signature(代理多簽名)：超過(guò)時(shí)間TE后，每個(gè)參與者使用已得到的合法授權(quán)代表其他參與者行使簽名權(quán)，產(chǎn)生對(duì)其他參與者具有約束效力的代理多簽名。

for(j=1,j<=n,j++)

doPMVj

時(shí)間TE之后，PB不再接受任何來(lái)自該次代理多簽名活動(dòng)的警報(bào)信息。

4 方案分析

針對(duì)多方公平交換簽名的攻擊方式多種多樣，然而，不管攻擊者的攻擊方式多么變化多端，他們的目的卻是一致的，即在不付出代價(jià)的前提下,獲得來(lái)自對(duì)方的有效證據(jù)。

文中假定PB和發(fā)起者之間可以在指定時(shí)間內(nèi)完成交互，并且PB和參與者之間是同步的。這個(gè)條件并不難達(dá)到,可以把實(shí)現(xiàn)這一條件作為發(fā)起多方公平交換簽名方案的必要條件。需要指出的是,在所提方案中,對(duì)于接收者不同步、系統(tǒng)錯(cuò)誤或者系統(tǒng)延遲等問(wèn)題都可以當(dāng)作一種欺騙手段來(lái)處理。

插入攻擊：這種攻擊方式是指攻擊者在指定步驟內(nèi)退出系統(tǒng)。

攻擊者接收到一個(gè)或者某幾個(gè)或者全部其他參與者的授權(quán)后即刻退出，拒不分發(fā)自己的授權(quán),從而導(dǎo)致了其他參與者在時(shí)間TO前無(wú)法獲得來(lái)自該參與者的任何證據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)規(guī)則,其他參與者可以通過(guò)恢復(fù)算法在時(shí)間TE前撤銷他們所發(fā)給攻擊者的授權(quán)。這些授權(quán)將在生效前被撤銷。

攻擊者在接收完其他參與者的授權(quán),并分發(fā)自己對(duì)其他參與者的授權(quán)后，即刻推出系統(tǒng)。在這種情況下，攻擊者與所有其他參與者完成了授權(quán)的多方公平交換。

延遲攻擊：攻擊者在接收到其他參與者的授權(quán)后并沒(méi)有在TO前分發(fā)授權(quán)給其他參與者，此類攻擊方式可歸類到插入攻擊方式中。最終，攻擊者無(wú)法獲得來(lái)自其他參與者的有效授權(quán)。

錯(cuò)誤授權(quán)：攻擊者發(fā)送錯(cuò)誤的授權(quán)給其他參與者,其他參與者可以在下一步前對(duì)接收到的授權(quán)進(jìn)行檢查,如果不是自己需要的就終止協(xié)議，或啟動(dòng)恢復(fù)算法。這種情況下,任何一方參與者都無(wú)法得到來(lái)自其他參與者的有效授權(quán)。

虛假警報(bào)：如果所有參與者在完成了授權(quán)的交換后,攻擊者仍然發(fā)送了警報(bào)消息,則所有參與者的授權(quán)都將被同時(shí)取消,從而所有參與者(包括攻擊者)都不能得到來(lái)自其他參與者的有效授權(quán)(在時(shí)間TE之前)。

釣魚(yú)攻擊：在釣魚(yú)攻擊中，攻擊者將自己偽裝成某個(gè)原廠商的網(wǎng)站以期獲得敏感信息(如信用卡信息)。特別地，攻擊者可以偽裝成可信的接收者，從而在電子交易中獲得原廠商的某些敏感信息。為此，攻擊者會(huì)建立一個(gè)與接收者的網(wǎng)站類似的虛假在線網(wǎng)站，并邀請(qǐng)用戶在其網(wǎng)站上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物，從而獲得敏感信息。攻擊者可以利用這些敏感信息做一些有利于自身的活動(dòng)，而不需經(jīng)過(guò)持有者的授權(quán)(這里指信用卡信息)。

然而，文中所提方案是通過(guò)授權(quán)的多方公平交換來(lái)達(dá)到多方公平交換簽名的效果。在授權(quán)生效前，授權(quán)以及相應(yīng)的簽名會(huì)被驗(yàn)證，從而避免了上述攻擊情況的發(fā)生。

糾紛解決可以被分為兩個(gè)方面:

(1)某個(gè)或某些參與者聲稱接收到了某個(gè)消息,而其他參與者否認(rèn)發(fā)送了消息；

(2)某個(gè)或某些參與者聲稱發(fā)送了某個(gè)消息,而其他參與者并不承認(rèn)接收到了該消息。

在該方案中,如果無(wú)法得到有效的授權(quán),任何參與者都無(wú)法從該欺騙行為中得到利益。

從以上討論可知,在交換結(jié)束后,要么參與者都能得到來(lái)自其他參與者的有效授權(quán),從而代表其他參與者制作一個(gè)對(duì)他們具有約束力的代理多簽名，要么參與者都無(wú)法得到來(lái)自其他參與者的有效授權(quán)，都無(wú)法制作相應(yīng)的對(duì)其他參與者具有約束力的代理多簽名，從而達(dá)到了公平交換簽名的效果。

5 比 較

文中所提方案與當(dāng)前幾類多方公平交換簽名方案的比較見(jiàn)表1。

表1 所提方案與幾類多方公平交換簽名方案的比較

從以上對(duì)比可以看出：在線可信第三方的公平交換方案中，無(wú)論交易雙方是誠(chéng)實(shí)的還是不誠(chéng)實(shí)的，在公平交換過(guò)程中都需要可信第三方的參與；在離線可信第三方公平交換方案中，一旦交換過(guò)程中出現(xiàn)不公平現(xiàn)象，就必須要有可信第三方的參與。即，第三方的參與成為該種方案的一個(gè)應(yīng)用瓶頸。而所提方案，無(wú)論在交換過(guò)程中是否有不公平現(xiàn)象出現(xiàn)，都無(wú)需可信第三方的參與，參與方本身即可實(shí)現(xiàn)交換的最終公平性。因此，相對(duì)于前面的方案，所提方案消除了可信第三方必須參與的瓶頸，具有更廣闊的應(yīng)用前景。

需要指出的是，雖然無(wú)可信第三方的多方公平交換簽名方案不需要可信第三方，但該類方案并不能實(shí)現(xiàn)真正的公平，實(shí)施時(shí)要求交換的參與者具有相同的計(jì)算能力。因此計(jì)算量大，不易于實(shí)踐，目前已經(jīng)不再是受關(guān)注對(duì)象。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)代理多簽名和授權(quán)技術(shù)的使用，提出了一種多方公平交換授權(quán)協(xié)議，并在此基礎(chǔ)上達(dá)到了多方公平交換簽名的效果。在該協(xié)議中,惡意行為不能給攻擊者帶來(lái)任何利益，而誠(chéng)實(shí)的參與者也不會(huì)遭受損失。協(xié)議允許參與者以一種公平的方式實(shí)現(xiàn)授權(quán)的相互交換，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)制作基于所得授權(quán)的代理簽名，每個(gè)參與者都可以得到一個(gè)對(duì)其他參與者具有約束力的代理多簽名；否則，所有參與者都無(wú)法得到來(lái)自其他參與者的有效授權(quán)，也就無(wú)法制作出對(duì)其他參與者具有約束力的有效代理多簽名。文中實(shí)現(xiàn)了簽名的多方公平交換，而無(wú)需用到可信第三方。然而，如何找到一個(gè)更有效的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)授權(quán)的撤銷(當(dāng)出現(xiàn)不公平時(shí))是未來(lái)工作的一個(gè)方面。

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Proxy-based Multi-party Fair Exchange Signature Scheme

REN Shuang-ting,WANG Jian

(College of Computer Science and Technology,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016,China)

A multi-party fair exchange protocol allows parties to exchange items in a fair way,which means that all of the parties obtain the other’s items or neither party does.A novel protocol for multi-party fair exchanging signature without a Trusted Third Party (TTP) is proposed.In this protocol,participants exchange their warrants firstly.Then,each participant is able to sign a proxy multi-signature on behalf of its opponents.Owing to the proxy multi-signature’s characteristics,the scheme achieves the desired effect of multi-party fair exchange of digital signatures.Besides,the principle of it can be used at both 1-to-n and n-to-n multi-party fair exchange signature protocols.Differing from existing fair exchange schemes,the scheme can be realized without the use of a TTP,which makes it more practical.

proxy;fair multi-party;fair exchange;warrant

2014-12-03

2015-06-18

時(shí)間：2017-01-04

江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(CXZZ12_0161);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金;江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目

任雙廷(1988-)，男，碩士生，研究方向?yàn)樾畔踩龋煌?箭，教授，研究方向?yàn)樾畔踩取?/p>

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170104.1017.002.html

TP301

A

1673-629X(2017)01-0080-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.01.