面向实时下一代网络的基于布隆过滤器的快速后量子认证

诸如智能电网和车联网等大规模下一代网络系统通过敏感消息的实时通信，促进了广泛的自动化与自主性。数字签名对此类应用至关重要，因为它们提供具有不可否认性的可扩展广播认证。然而，即使是传统的安全签名（例如 ECDSA、RSA）也会引入显著的密码学延迟，这可能破坏此类延迟敏感系统的安全性。随着量子计算机破解传统难解问题，这些传统密码系统必须被后量子（PQ）安全的密码系统所取代。然而，PQ 安全签名比传统签名昂贵得多，极大地加剧了实时应用的延迟障碍。我们提出了一种名为 Time Valid Probabilistic Data Structure HORS (TVPD-HORS) 的新签名，它在为实时应用提供可调 PQ 安全性的同时，实现了显著降低的端到端延迟。我们利用特殊的概率数据结构作为核心的高效单向函数，从而极大地加速了 HORS 作为 NIST PQ 密码标准原语。TVPD-HORS 通过 One-hash Bloom Filter 允许针对不同输入大小进行可调且快速的处理，在时间有效情形中表现卓越，其中使用较短安全参数的认证用于短时但安全关键的消息。我们表明，TVPD-HORS 验证在高安全和时间有效设置下分别比 HORS 快 2.7 倍和 5 倍。TVPD-HORS 密钥生成也更快，签名速度与 HORS 相似。此外，TVPD-HORS 可以将 HORS 变体的速度提升一个数量级以上。这些特性使 TVPD-HORS 成为提升诸如 XMSS 和 SPHINCS+ 等 PQ 安全标准的高速时间有效版本的理想原语，为下一代网络的实时认证铺平了道路。