基于環映射的去中心化身份認證方案

◆馬超宇

（遼寧大學 遼寧 110036）

1 引言

認證技術是網絡安全[1]和隱私保護[2]中比較熱門的話題。傳統的認證方案更傾向于使用中心化的方式，但中心化意味著網絡安全風險。在現有的身份認證手段中，X.509 標準是數字證書的一般標準。該標準實現了數據的完整性、身份的確定性、不可否認性和防篡改性[3]。但現有的身份認證方案中，存在著效率和隱私泄露的問題?；诖?，本文在數字簽名的基礎上引入了CA 和RSA[4]，并將身份認證和區塊鏈技術結合在一起，對數字簽名方案做了改進，提出一種基于環映射的去中心化[5]身份認證方案，該方案可以有效地提升認證的效率，并且降低了隱私泄露的風險。

2 基于環映射的去中心化身份認證方案

定義1 環映射：將實際節點通過某種算法分布到虛擬的環空間上，以此來解決現實中的問題。

該方案的主要思想是將系統中的所有用戶節點映射到0～264-1 大小的環空間上，使這些節點成為環節點。身份認證將由當前環節點的下一環節點進行，即順時針方向。

當環中的節點出現異常時，可通過加入虛擬節點來解決異常節點無法正常進行認證的問題。為了使環能夠正常工作，假設第一個被映射到環上的節點不會存在異常情況，且虛擬節點只針對環中能夠正常進行認證的環節點設置。當異常環節點和環節點的數量滿足公式（1）時，需要加入虛擬節點：

其中，m表示環中未加入虛擬節點前的環節點總量；mc表示環中異常環節點的數量。此時，環中加入虛擬節點后的節點總數的計算公式如下所示：

其中，nnode表示環節點數量與虛擬節點數量的總和；n表示為每個有效環節點所分配的虛擬節點的數量，該值可根據環中異常環節點的數量進行調整，當異常環節點的數量滿足如下公式時，可將該值增大：

基于環映射的去中心化認證方案包括以下步驟：

（1）節點映射：設定用戶節點的編號為in，利用抗碰撞的單向散列函數SHA-256，生成用戶節點的散列值SHA-256（in），將其按照大小分布到環上，輸出環節點的映射空間Ln={SHA-256（in）}，映射空間所對應的環節點和其行為之間沒有關聯性；

（2）生成發行方密鑰對：CA 隨機選擇兩個非常大質數p∈Ln和q∈Ln，Ln為映射空間。用以下公式分別計算N，L，E，D：

其中，p-1 和q-1 的最小公倍數為lcm（p-1，q-1），gcd（E，L）表示為E和L的最大公約數，mod 為取模運算。E和D可以使用偽隨機數生成器生成1 到L之間的候選數，然后判斷是否滿足條件。最終，CA 的公鑰IPK=(E，N)，私鑰ISK=(D，N)；

（3）生成用戶方密鑰對：環節點將自身身份信息提交到CA進行注冊，得到對應的密鑰對。對于環節點l，CA 隨機選擇兩個非常大的質數p’∈Ln和q’∈Ln，計算N’，L’，E’，D’，公式如下：

E’和D’同樣可以使用偽隨機數生成器生成1 到L之間的候選數，然后判斷是否滿足條件。最終，環節點的公鑰LPK=(E’，N’)，私鑰LSK=（D’，N’）；

（4）獲取公鑰簽名：CA 隨機選取整數值nnonce∈Ln，CA 利用自己的私鑰ISK=(D，N)對環節點的公鑰LPK=(E’，N’)進行加密生成簽名SL，計算公式如下：

（5）驗證公鑰簽名：環節點利用CA 的公鑰IPK=(E，N)對公鑰簽名SL進行解密驗證，將得到的結果nnonce’與nnonce進行比較，一致則驗證成功，環節點則將該公鑰簽名保存在本地。nnonce’的計算公式如下：

（6）初始化引用計數：根據環節點的映射空間Ln，初始化每個環節點的引用計數值為ncount，其公式如下：

（7）字段填充：環節點將填充字段pad 追加到消息m的末尾，得到填充后的消息mpad；

（8）計算散列值：環節點對填充后的消息mpad運行抗碰撞的單向散列函數SHA-256，生成該消息的散列值Hm，計算公式如下：

（9）生成原始簽名：環節點利用自己的私鑰LSK=(D’，N’)對填充消息的散列值Hm加密，生成原始簽名Sori，計算公式如下：

（10）生成目標簽名：環節點將填充后的消息mpad及其散列值Hm和公鑰簽名SL發送給順時針方向的下一有效環節點，該有效環節點利用當前環節點的公鑰簽名SL對原始簽名Sori進行解密，輸出目標簽名Sdes，計算公式如下：

（11）簽名驗證：有效環節點驗證原始簽名Sori和目標簽名Sdes是否一致，輸出驗證結果A。A=1 表示驗證成功，證書有效；A=0 表示驗證失敗，證書無效。

3 結果分析

隨著用戶節點的數量不斷增多，傳統的認證方案的認證效率會遇瓶頸，而本文提出的認證方案的認證效率則保持高效恒定。這是因為傳統的認證方案是中心化的，用戶節點的數量增多會導致服務器的壓力增大，從而降低認證效率。而本文的方案則是基于去中心化的，即分布式的，效率并不會隨著用戶節點的數量的增多而下降，相反會保持一定的水平。同樣地，隱私泄露風險也會保持較低水平，而傳統的認證方案將始終保持較高水平。

4 小結

本文提出的方案有效提升了認證效率和降低了隱私泄漏的風險。但本文仍有很多不足，在接下來的研究中，將不斷完善。