Digital signatures provide scalable authentication with non-repudiation and are vital tools for the Internet of Things (IoT). Many IoT applications harbor vast quantities of resource-limited devices often used with cloud computing. However, key compromises (e.g., physical, malware) pose a significant threat to IoTs due to increased attack vectors and open operational environments. Forward security and distributed key management are critical breach-resilient countermeasures to mitigate such threats. Yet forward-secure signatures are exorbitantly costly for low-end IoTs, while cloud-assisted approaches suffer from centrality or non-colluding semi-honest servers. In this work, we create two novel digital signatures called Lightweight and Resilient Signatures with Hardware Assistance (LRSHA) and its Forward-secure version (FLRSHA). They offer a near-optimally efficient signing with small keys and signature sizes. We synergize various design strategies, such as commitment separation to eliminate costly signing operations and hardware-assisted distributed servers to enable breach-resilient verification. Our schemes achieve magnitudes of faster forward-secure signing and compact key/signature sizes without suffering from strong security assumptions (non-colluding, central servers) or a heavy burden on the verifier (extreme storage, computation). We formally prove the security of our schemes and validate their performance with full-fledged open-source implementations on both commodity hardware and 8-bit AVR microcontrollers.


翻译:数字签名提供可扩展的认证功能并具备不可否认性,是物联网(IoT)的重要工具。许多物联网应用部署了大量资源受限的设备,这些设备常与云计算协同工作。然而,由于攻击途径增多和开放的运行环境,密钥泄露(如物理攻击、恶意软件)对物联网构成重大威胁。前向安全性和分布式密钥管理是应对此类威胁的关键抗泄露对策。但前向安全签名对低端物联网设备而言成本极高,而云辅助方法则受限于中心化或非共谋的半诚实服务器假设。本研究提出了两种新型数字签名方案:硬件辅助的轻量级韧性签名(LRSHA)及其前向安全版本(FLRSHA)。这些方案以接近最优的效率实现签名,同时保持较小的密钥和签名尺寸。我们协同运用多种设计策略,例如通过承诺分离消除昂贵的签名操作,并采用硬件辅助的分布式服务器实现抗泄露验证。我们的方案在实现数量级级提升的前向安全签名速度与紧凑的密钥/签名尺寸的同时,避免了强安全假设(非共谋、中心化服务器)或验证方过重负担(极端存储与计算需求)。我们通过形式化证明验证了方案的安全性,并在商用硬件和8位AVR微控制器上通过完整的开源实现验证了其性能。

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物联网,英文名为Internet of Things,可以简单地理解为物物相连的互联网。物联网主要通过各种设备(比如RFID,传感器,二维码等)的接口将现实世界的物体连接到互联网上,或者使它们互相连接,以实现信息的传递和处理。互联网在现实的物理世界之外新建了一个虚拟世界,物联网将会把两个世界融为一体。
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