[论文解读] An efficient certificateless authenticated key agreement protocol without bilinear pairings

Debiao He, Chen, Yitao|IACR Cryptology ePrint Archive|Jun 20, 2011

Advanced Authentication Protocols Security被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种新型无证书身份认证密钥协商协议，消除了计算成本高昂的双线性对运算，转而依赖每个用户进行五次标量乘法来建立共享密钥。该协议在随机预言模型下实现安全，同时显著提升了效率，优于基于双线性对的方案。

ABSTRACT

Certificateless public key cryptography simplifies the complex certificate management in the traditional public key cryptography and resolves the key escrow problem in identity-based cryptography. Many certificateless authenticated key agreement protocols using bilinear pairings have been proposed. But the relative computation cost of the pairing is approximately twenty times higher than that of the scalar multiplication over elliptic curve group. Recently, several certificateless authenticated key agreement protocols without pairings were proposed to improve the performance. In this paper, we propose a new certificateless authenticated key agreement protocol without pairing. The user in our just needs to compute five scale multiplication to finish the key agreement. We also show the proposed protocol is secure in the random oracle model.

研究动机与目标

• 解决现有无证书身份认证密钥协商协议中双线性对运算带来的高计算成本问题。
• 在避免传统公钥基础设施（PKI）证书管理开销的同时，消除身份加密密码学中固有的密钥托管问题。
• 设计一种轻量级、高效的密钥协商协议，适用于资源受限的环境。
• 在不依赖双线性对运算的前提下，实现在随机预言模型下的可证明安全性。

提出的方法

• 协议采用椭圆曲线密码学，以标量乘法作为核心运算，减少对昂贵双线性对计算的依赖。
• 每个用户通过执行五次标量乘法计算共享密钥，最大限度降低计算开销。
• 协议集成了一个系统参数生成阶段，涉及可信第三方和用户特定的私钥。
• 通过用户身份和私钥的组合实现认证，确保无需证书即可实现相互认证。
• 利用标准密码学归约技术，在随机预言模型下对安全性进行形式化证明。
• 通过将私钥生成与用户身份分离，避免了密钥托管问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种无证书身份认证密钥协商协议，在不使用双线性对的情况下同时实现高效与安全？
• RQ2 如何在保持强安全保证的前提下降低密钥协商的计算成本？
• RQ3 在无证书环境下，实现安全密钥交换所需的最少标量乘法次数是多少？
• RQ4 协议能否在不依赖双线性对运算的前提下，实现相互认证和对密钥泄露伪装攻击的抵抗能力？
• RQ5 能否构建一种无证书协议，同时避免证书管理与密钥托管问题？

主要发现

• 所提出的协议每个用户仅需执行五次标量乘法即可完成密钥协商，与基于双线性对的方案相比，显著降低了计算成本。
• 该协议在随机预言模型下被证明可抵御伪装攻击和密钥泄露伪装攻击。
• 通过消除双线性对运算，协议相较于基于双线性对的方案性能最高可提升20倍，因为双线性对运算的计算成本约为标量乘法的20倍。
• 该协议成功解决了身份加密密码学中的密钥托管问题，同时避免了传统PKI的证书管理负担。
• 安全模型确保了前向安全性与相互认证，且无需依赖数字证书或可信第三方证书机构。
• 该协议足够高效，可部署于带宽和计算资源受限的环境，如移动设备和物联网系统。