本技術(shù)涉及區(qū)塊鏈安全，特別涉及一種面向區(qū)塊鏈的基于格密碼學(xué)的前向安全群簽名系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、隨著區(qū)塊鏈技術(shù)在金融交易、醫(yī)療數(shù)據(jù)共享、供應(yīng)鏈管理等關(guān)鍵領(lǐng)域的深入應(yīng)用，其面臨的安全挑戰(zhàn)日益凸顯。本技術(shù)旨在解決區(qū)塊鏈系統(tǒng)面臨的三大核心安全問題：抵御量子計算攻擊、實現(xiàn)隱私保護(hù)與監(jiān)管的平衡、以及防范密鑰泄露風(fēng)險。

2、在量子計算威脅方面，傳統(tǒng)區(qū)塊鏈系統(tǒng)普遍采用的ecdsa、rsa等簽名算法基于整數(shù)分解和離散對數(shù)問題，這類算法在面對量子計算機(jī)時將變得極其脆弱。特別是shor量子算法能夠在多項式時間內(nèi)破解這些加密算法，這意味著一旦實用化量子計算機(jī)問世，現(xiàn)有區(qū)塊鏈系統(tǒng)的交易安全性將面臨毀滅性打擊。雖然已有研究嘗試將格密碼學(xué)引入?yún)^(qū)塊鏈，但標(biāo)準(zhǔn)格密碼方案的計算和存儲開銷過大，難以滿足區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)對高效性的嚴(yán)格要求。

3、在隱私保護(hù)方面，現(xiàn)有區(qū)塊鏈系統(tǒng)主要通過公鑰地址實現(xiàn)偽匿名性，這種保護(hù)機(jī)制存在嚴(yán)重不足。一方面，通過交易圖譜分析等統(tǒng)計方法可以較容易地推斷用戶真實身份；另一方面，過度強(qiáng)調(diào)隱私保護(hù)的方案往往會犧牲必要的監(jiān)管功能，導(dǎo)致非法交易難以追溯。當(dāng)前主流的隱私保護(hù)技術(shù)如環(huán)簽名、零知識證明等，要么無法滿足完全匿名性要求，要么在實現(xiàn)監(jiān)管追溯時面臨效率瓶頸。

4、在密鑰安全管理方面，現(xiàn)有方案主要關(guān)注如何提高密鑰的破解難度，而忽視了密鑰泄露后的應(yīng)急處理。區(qū)塊鏈的不可篡改性使得一旦發(fā)生密鑰泄露，攻擊者可以永久性地偽造交易，給用戶資產(chǎn)安全帶來不可逆的損失。雖然前向安全簽名方案在傳統(tǒng)密碼學(xué)中已有研究，但將其與區(qū)塊鏈特性相結(jié)合，特別是與群簽名技術(shù)相融合的方案仍屬空白。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問題，本技術(shù)提出了一種面向區(qū)塊鏈的基于格密碼學(xué)的前向安全群簽名系統(tǒng)及方法，通過理想格密碼優(yōu)化降低計算開銷，實現(xiàn)實用的抗量子簽名；設(shè)計動態(tài)群簽名機(jī)制平衡隱私與監(jiān)管；引入改進(jìn)的盆景樹技術(shù)提供前向安全性。該技術(shù)特別適用于對安全性、隱私性和監(jiān)管合規(guī)性都有較高要求的區(qū)塊鏈應(yīng)用場景，為構(gòu)建下一代安全、高效、可監(jiān)管的區(qū)塊鏈基礎(chǔ)設(shè)施提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

2、本技術(shù)采用的技術(shù)方案為：一種面向區(qū)塊鏈的基于格密碼學(xué)的前向安全群簽名系統(tǒng)，包括：

3、抗量子簽名模塊：用于構(gòu)建完整的密碼學(xué)體系，該模塊采用環(huán)上最短整數(shù)解問題的理想格密碼體制作為基礎(chǔ)安全假設(shè)，生成主密鑰和公共參數(shù)；

4、動態(tài)群管理模塊：用于實現(xiàn)成員生命周期管理，該模塊通過改進(jìn)的vlr機(jī)制處理成員的動態(tài)加入和撤銷操作；

5、密鑰演化模塊：用于實現(xiàn)密鑰的更新，該模塊通過基于二叉樹結(jié)構(gòu)的密鑰派生函數(shù)kdf實現(xiàn)密鑰的周期性更新；

6、隱私保護(hù)模塊：用于對成員身份隱私進(jìn)行保護(hù)，該模塊集成了naor-yung雙重加密和stern型零知識證明協(xié)議兩大密碼學(xué)原語，通過fiat-shamir變換將交互式證明轉(zhuǎn)化為非交互式證明；

7、監(jiān)管追溯模塊：用于追蹤密鑰ok解密交易中的身份密文。

8、進(jìn)一步地，環(huán)上最短整數(shù)解問題的理想格密碼體制中的格參數(shù)體系設(shè)置了不同的維度，并根據(jù)維度設(shè)置了模數(shù)和陷門質(zhì)量參數(shù)。

9、進(jìn)一步地，改進(jìn)的vlr機(jī)制通過采用累加器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)維護(hù)撤銷列表rl。

10、一種面向區(qū)塊鏈的基于格密碼學(xué)的前向安全群簽名方法，將所述的面向區(qū)塊鏈的基于格密碼學(xué)的前向安全群簽名系統(tǒng)部署在區(qū)塊鏈上，所述方法包括以下步驟：

11、s1：系統(tǒng)初始化，包括：主密鑰生成與參數(shù)配置、智能合約管理組件部署、監(jiān)管權(quán)限體系配置、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c節(jié)點部署；

12、s2：用戶注冊，包括：身份認(rèn)證和憑證頒發(fā)、密鑰對生成與分發(fā)、初始成員狀態(tài)設(shè)置、憑證交付；

13、s3：群簽名，包括簽名生成、簽名驗證、密鑰更新和成員追溯。

14、進(jìn)一步地，步驟s1中采用分圓多項式環(huán)結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)主密鑰，具體的：

15、系統(tǒng)初始化階段運行理想格陷門生成算法，生成滿足安全性要求的公鑰矩陣a，在群公鑰構(gòu)建環(huán)節(jié)，系統(tǒng)采樣三個均勻隨機(jī)向量b、c、d，組合形成完整的群公鑰gpk=(a,b,c,d)；

16、參數(shù)配置包括：設(shè)置管理員密鑰ik=r用于成員證書簽發(fā)，確保只有授權(quán)管理員可以添加新成員；設(shè)置追蹤密鑰ok=s專用于身份解密，滿足合規(guī)監(jiān)管需求，且管理員密鑰和追蹤密鑰采用物理隔離存儲，實施不同的訪問控制策略。

17、進(jìn)一步地，智能合約管理組件部署在支持的區(qū)塊鏈平臺上，包括密鑰管理合約、監(jiān)管策略合約、身份注冊合約和審計日志合約；

18、監(jiān)管權(quán)限體系中建立了多級監(jiān)管架構(gòu)，包括操作員、審計員和超級管理員，操作員負(fù)責(zé)日常監(jiān)控和異常報告；審計員查詢交易元數(shù)據(jù)但不能解密具體內(nèi)容；超級管理員擁有門限解密權(quán)限；

19、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c節(jié)點是通過涉及混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實現(xiàn)部署的，核心監(jiān)管節(jié)點部署在私有云環(huán)境，普通驗證節(jié)點部署在公有云環(huán)境，所有節(jié)點間采用雙重加密進(jìn)行通信。

20、進(jìn)一步地，步驟s2的用戶注冊流程中用戶首先生成個人密鑰對，超級管理員驗證用戶身份后，使用ducas-micciancio簽名協(xié)議簽發(fā)成員證書，在成員密鑰的初始化過程中將證書與用戶私鑰綁定，生成完整的群簽名密鑰，同時生成對應(yīng)的吊銷令牌；

21、身份認(rèn)證與憑證頒發(fā)采用分級kyc流程，個人用戶提供政府簽發(fā)的數(shù)字身份證和活體檢測；機(jī)構(gòu)用戶需提交營業(yè)執(zhí)照和法人代表認(rèn)證，認(rèn)證通過后，頒發(fā)可驗證憑證，憑證包含最小披露信息，支持選擇性披露；

22、密鑰對包括簽名密鑰對和加密密鑰對。

23、進(jìn)一步地，步驟s3中生成的最終簽名σ=(c1,π,t,sig_m)采用了分層結(jié)構(gòu)，包括加密用戶身份c1、零知識證明π、當(dāng)前時間周期t和對消息m的簽名sig_m，其中加密用戶身份c1是采用naor-yung轉(zhuǎn)換技術(shù)加密用戶身份得到的；

24、零知識證明π采用非交互式證明，同時驗證成員證書的合法性、私鑰與公開身份的對應(yīng)關(guān)系、身份密文c1的正確性以及所用密鑰的時效性；

25、對消息m的簽名sig_m是通過對消息m進(jìn)行預(yù)處理計算其哈希值，然后進(jìn)行私鑰簽名得到的。

26、進(jìn)一步地，簽名驗證流程包括以下步驟：

27、先解析簽名σ=(c1,π,t,sig_m)，然后驗證時間戳，驗證當(dāng)前時間周期t是否符合時間窗口約束；

28、然后在撤銷列表rl中驗證吊銷令牌是否存在；

29、然后對零知識證明π進(jìn)行驗證，包含三個遞進(jìn)階段的驗證：承諾一致性驗證、挑戰(zhàn)響應(yīng)驗證和知識提取驗證；

30、最后進(jìn)行常規(guī)簽名sig_m的驗證，采用標(biāo)準(zhǔn)的格基簽名驗證流程對其進(jìn)行驗證。

31、進(jìn)一步地，步驟s3的密鑰更新采用盆景樹結(jié)構(gòu)組織密鑰空間，密鑰空間包括根節(jié)點密鑰、葉節(jié)點密鑰，先生成根節(jié)點密鑰，將系統(tǒng)運行時間劃分為多個離散周期，然后采用密鑰派生函數(shù)kdf實現(xiàn)葉節(jié)點密鑰的周期性更新，并且采用非交互形式的密鑰更新證明π_update確保更新過程的真實性和完整性。

32、本技術(shù)相對于現(xiàn)有技術(shù)具備的有益效果為：

33、1)量子安全性：可抵御shor算法等量子攻擊；

34、2)高效隱私保護(hù)：簽名長度較標(biāo)準(zhǔn)格簽名縮短40%，驗證效率提升35%；

35、3)完善的監(jiān)管機(jī)制：支持對惡意交易的精準(zhǔn)追溯；

36、4)動態(tài)可擴(kuò)展：群組成員可靈活增減。