Internet of Things (IoT) applications are composed of massive quantities of resource-limited devices that collect sensitive data with long-term operational and security requirements. With the threat of emerging quantum computers, Post-Quantum Cryptography (PQC) is a critical requirement for IoTs. In particular, digital signatures offer scalable authentication with non-repudiation and are an essential tool for IoTs. However, as seen in NIST PQC standardization, post-quantum signatures are extremely costly for resource-limited IoTs. Hence, there is a significant need for quantum-safe signatures that respect the processing, memory, and bandwidth limitations of IoTs. In this paper, we created a new lightweight quantum-safe digital signature referred to as INFinity-HORS (INF-HORS), which is (to the best of our knowledge) the first signer-optimal hash-based signature with (polynomially) unbounded signing capability. INF-HORS enables a verifier to non-interactively construct one-time public keys from a master public key via encrypted function evaluations. This strategy avoids the performance bottleneck of hash-based standards (e.g., SPHINCS+) by eliminating hyper-tree structures. It also does not require a trusted party or non-colliding servers to distribute public keys. Our performance analysis confirms that INF-HORS is magnitudes of times more signer computation efficient than selected NIST PQC schemes (e.g., SPHINCS+, Dilithium, Falcon) with a small memory footprint.


翻译:物联网应用由大量资源受限设备组成,这些设备收集敏感数据并具有长期运行和安全需求。随着量子计算机的潜在威胁,后量子密码学成为物联网的关键需求。特别是数字签名提供了具备不可否认性的可扩展认证,是物联网的重要工具。然而,正如NIST后量子密码标准化进程所示,后量子签名对资源受限的物联网设备而言成本极高。因此,亟需能够兼顾物联网设备处理能力、内存和带宽限制的量子安全签名方案。本文提出一种新型轻量级量子安全数字签名——INFinity-HORS(INF-HORS),据我们所知,这是首个具备(多项式级)无限制签名能力的签名者最优哈希基签名。INF-HORS允许验证者通过加密函数评估,从主公钥中非交互式构建一次性公钥。该策略通过消除超树结构规避了哈希基标准(如SPHINCS+)的性能瓶颈,且无需可信第三方或非冲突服务器分发公钥。性能分析证实,与选定的NIST后量子密码方案(如SPHINCS+、Dilithium、Falcon)相比,INF-HORS在签名者计算效率上提升数个数量级,且内存占用极低。

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