電子現(xiàn)金系統(tǒng)設(shè)計(jì)管理

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[摘要]利用橢圓曲線盲簽名算法，可獲得比RSA算法更高的的安全性；銀行與認(rèn)證中心CA聯(lián)合實(shí)現(xiàn)電子現(xiàn)金的匿名控制，必要時(shí)可對(duì)問(wèn)題現(xiàn)金及非法使用者進(jìn)行追蹤，揭露其身份；方案在設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)考慮了SET協(xié)議的運(yùn)作模式，更適合人們的消費(fèi)習(xí)慣和電子商務(wù)發(fā)展的需要。

[關(guān)鍵詞]電子現(xiàn)金橢圓曲線盲簽名匿名控制安全性

一、引言

電子商務(wù)的發(fā)展離不開(kāi)先進(jìn)的支付手段，電子現(xiàn)金作為電子支付的關(guān)鍵技術(shù)，自80年代中期以來(lái)已取得了很大的研究成果。其安全性和可靠性主要依靠密碼技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如零知識(shí)證明、盲數(shù)字簽名等，早期的電子現(xiàn)金系統(tǒng)主要基于RSA、DLP公鑰密碼技術(shù)，如DigiCash公司的eCashTM，NIST也于1991年將DSA算法作為數(shù)字簽名的標(biāo)準(zhǔn)。1985年，N.Koblitz和V.Miller分別獨(dú)立提出了橢圓曲線密碼體制(ECC)，利用有限域上橢圓曲線的點(diǎn)構(gòu)成的群實(shí)現(xiàn)了離散對(duì)數(shù)密碼算法，由于其具有計(jì)算量小，處理速度快、存儲(chǔ)空間占用小、帶寬要求低等優(yōu)點(diǎn)，在電子現(xiàn)金應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注，SET協(xié)議的制定者已把它作為下一代SET協(xié)議中缺省的公鑰密碼算法。

考慮到SET協(xié)議將成為事實(shí)上電子商務(wù)支付的標(biāo)準(zhǔn)，我們認(rèn)為電子現(xiàn)金應(yīng)符合SET模式。由于在SET中只涉及四個(gè)對(duì)象：用戶U、銀行Bank、商家Shop和認(rèn)證中心CA，所以電子現(xiàn)金應(yīng)該是在線、支持認(rèn)證中心(CA)并由CA實(shí)現(xiàn)匿名性的控制，本文將利用基于橢圓曲線盲簽名，設(shè)計(jì)一安全、實(shí)用、匿名可控的電子現(xiàn)金系統(tǒng)。

一、橢圓曲線盲簽名算法（ECDSA）

橢圓曲線數(shù)字簽名一般是將基于離散對(duì)數(shù)的簽名體制如Schnoor、EIGamal、DSA以及導(dǎo)出變種形式移植到橢圓曲線上，在文獻(xiàn)[4]中也給出了多種簽名方案及盲簽名方案。

設(shè)p是一個(gè)大素?cái)?shù)，a,b∈GF(p),滿足4a3+27b2≠0。橢圓曲線E(a,b)(GF(p))可定義為點(diǎn)集(x,y)∈GF(p)*GF(p),滿足y2=x3+ax+b,我們定義一個(gè)零元，用O表示，這樣，這些點(diǎn)構(gòu)成了一個(gè)阿貝爾群。G是E(a,b)(GF(p))中的一個(gè)階為q的元素。d∈RZn*，是簽名私鑰，Q=dG是簽名驗(yàn)證公鑰。Rx(A)表示點(diǎn)A的x坐標(biāo)值，H是一個(gè)單向HASH函數(shù)，H:{0,1}*→{0,1}k，我們用來(lái)表示兩個(gè)串的連接。系統(tǒng)的參數(shù)為｛p,a,b,G,q,Q,d,H｝。

橢圓曲線的Schnoor（ECDSA）盲簽名體制可描述如下：

發(fā)送方隨機(jī)選擇一個(gè)整數(shù)k∈RZn*，計(jì)算kG；

接收方隨機(jī)選擇γ，δ∈RZn*，計(jì)算：A=kG+γG+δQ，t=Rx(A)modn，c=H(mt)，c’=c-δ,將c’送出。

發(fā)送方計(jì)算：s’=k-c’d。

接收方計(jì)算：s=s’+γ。

由于γ，δ是隨機(jī)選擇的，所以簽名者不會(huì)知道簽名的內(nèi)容，盲簽名的形式為（c,s）。從上過(guò)程可看出，kG可預(yù)先計(jì)算，當(dāng)c’到來(lái)時(shí)，僅需一次乘法和一次加法運(yùn)算就可完成簽名，因此計(jì)算量小、運(yùn)算速度快，簽名結(jié)果也較短，比較適合電子現(xiàn)金系統(tǒng)使用。

二、電子現(xiàn)金系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

對(duì)于CA認(rèn)證中心，需要使用系統(tǒng)參數(shù)建立ECDSA的數(shù)字簽名。隨機(jī)選擇xca∈GF(q)*作為自己的私鑰，然后計(jì)算pca=xcaG，將pca作為自己的公開(kāi)密鑰。同樣，銀行、用戶的私鑰分別為xb、xu，公鑰分別為pb、pu。將pca、pb、pu公開(kāi)。

1.注冊(cè)（Registration）

用戶提交自己的信息，由CA使用ECDSA進(jìn)行簽名，用于向用戶提供包含其身份信息的電子執(zhí)照。在取款時(shí)必須出示該簽名。設(shè)ID為用戶標(biāo)識(shí)信息，包含姓名、身份證號(hào)等。注冊(cè)過(guò)程即用戶向認(rèn)證中心提供個(gè)人可信信息，存案?jìng)洳椤＜碔=ECDSA(xcaH(ID))，此時(shí)，I相當(dāng)于一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字證書。

2.取款協(xié)議（WithdrawalProtocol）

電子現(xiàn)金的核心協(xié)議，用戶從自己的銀行賬戶上提取電子現(xiàn)金。為了保證用戶匿名的前提下獲得帶有銀行簽名的合法電子現(xiàn)金，用戶將與銀行交互執(zhí)行盲簽名協(xié)議，同時(shí)銀行必須確信電子現(xiàn)金上包含必要的用戶身份。

設(shè)m為用戶的取款信息，是個(gè)五元組｛數(shù)量，面值，賬號(hào)，時(shí)間，CA的簽名I｝。取款信息中的I，向銀行表明自己是一個(gè)合法的用戶，銀行利用CA的公開(kāi)密鑰pca來(lái)驗(yàn)證，這就保證了取款時(shí)用戶必須提供自己的正確信息，從而在構(gòu)造電子現(xiàn)金時(shí)嵌入這些信息，而銀行又不知道信息的具體內(nèi)容，用戶的隱私也得到了保護(hù)。其后的工作是使用ECDSA盲簽名來(lái)完成取款過(guò)程。描述如下：

(1)用戶：任選z∈RZq*，計(jì)算T=ECDSA(xu(m))，,C=zG,c=Rx(C)∥Ry(C)，將(m，T)送銀行。

(2)銀行:用pb驗(yàn)證簽名，Verify(pu(T))；任選k∈RZq*,計(jì)算Φ=kG,S=ECDSA(xb(Φ))

(3)用戶：收到(Φ，S)后，驗(yàn)證，Verify(pb(Φ))；θ,δ∈RZq*,計(jì)算A=Φ+θG+δpb，h=Rx(A)≠0modq，e=H(c∥h)，e＇=e-δ；將e＇送出；

(4)銀行：計(jì)算s’=k-e’xb；

(5)用戶：計(jì)算s=s’+θ；驗(yàn)證e=H(c∥(Rx(epb+sG)modq))；驗(yàn)證推導(dǎo)過(guò)程略。上式如果成立，(e,s)即為盲簽名結(jié)果。

此時(shí)，銀行就可以記錄下（I，Φ,（m，T））存入自己的數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)從用戶的賬戶上減去相應(yīng)的取款數(shù)。

由上，得出電子現(xiàn)金的結(jié)構(gòu)：Coin={c，e，s，I}

3.存款協(xié)議

存款的過(guò)程比較簡(jiǎn)單，經(jīng)過(guò)一段交易周期后，商家將收到的電子現(xiàn)金到銀行處進(jìn)行存儲(chǔ)。商家將在支付中得到的電子現(xiàn)金Coin={c，e，s，I}和自己的賬號(hào)傳遞給銀行,銀行首先對(duì)電子現(xiàn)金進(jìn)行有效期檢查，確認(rèn)是否有效，然后使用核驗(yàn)自己和認(rèn)證中心的簽名｛e，s｝，若無(wú)誤，則開(kāi)始搜索電子現(xiàn)金數(shù)據(jù)庫(kù)，如搜索失敗，表明此電子現(xiàn)金是第一次使用，銀行將此{(lán)c，e，s，I}和交易日期時(shí)間存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并將此現(xiàn)金的數(shù)額存入商家的帳戶。

若搜索成功，則表明在用戶和商家中肯定有一個(gè)是欺詐者。若新發(fā)送來(lái)的電子現(xiàn)金的交易日期、時(shí)間與搜索到的相同，說(shuō)明商家在重復(fù)存儲(chǔ)該電子現(xiàn)金。否則說(shuō)明用戶在重復(fù)使用同一電子現(xiàn)金。

三、電子現(xiàn)金身份揭露

CA的存在，也使得對(duì)電子現(xiàn)金及其使用者的追蹤變得容易，省去了許多復(fù)雜的計(jì)算。

1.重復(fù)使用者的揭露

銀行知道電子現(xiàn)金的結(jié)構(gòu){c，e，s，I}，發(fā)現(xiàn)重用的現(xiàn)金后，即從中提取出I信息，發(fā)送給CA，因I是CA對(duì)用戶注冊(cè)信息的簽名，故CA有能力解密I，求出ID，然后將其發(fā)送給銀行。銀行以c為關(guān)鍵字從自己的數(shù)據(jù)庫(kù)中查找，找到（m，T），形成如下結(jié)構(gòu)信息｛ID，Φ，（m，T）｝，這實(shí)際上是用戶的身份識(shí)別信息。

2.問(wèn)題現(xiàn)金追蹤

當(dāng)出現(xiàn)利用電子現(xiàn)金進(jìn)行洗錢、詐騙等問(wèn)題時(shí)，需要跟蹤現(xiàn)金的使用，用戶提交他的ID給銀行，問(wèn)題現(xiàn)金消費(fèi)時(shí)，一定會(huì)出現(xiàn)相同的ID，銀行計(jì)算出Φ＝kG，可實(shí)現(xiàn)跟蹤。

四、安全性分析

由于CA的引入，強(qiáng)化了安全保證，在電子現(xiàn)金中同時(shí)嵌入了CA和銀行的簽名，增加了偽造的難度，也滿足了匿名性的要求。方案安全性建立在橢圓曲線對(duì)數(shù)（ECDLP）分解之上的，強(qiáng)度高于RSA方法，其分解是非常困難的，目前還沒(méi)有有效的方法，本方案是安全的。

注意到參數(shù)域RZq*，單向函數(shù)H以及公鑰pu、pb、pca、ps均是公開(kāi)的，攻擊者當(dāng)然可以得到這些信息；同時(shí)注冊(cè)、取款、存款等交易業(yè)務(wù)過(guò)程均在公共網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)之上，即存在可能的不安全信道，攻擊者可能截獲（Φ,S）、（M,C）；從取款協(xié)議中可看出，由于δ、θ是隨機(jī)選取的，e=H(c∥(Rx(Φ+θG+δpb)),因此偽造電子現(xiàn)金的簽名相當(dāng)于分解ECDLP難題。

如果攻擊者截獲了用戶發(fā)給商家的Coin信息，意味著現(xiàn)金的丟失，解決辦法是在支付協(xié)議中商家對(duì)用戶進(jìn)行質(zhì)詢。商家發(fā)給用戶（M,C），用戶響應(yīng)（ε，M’），由于計(jì)算中對(duì)于F=fG、C=zG，f和z是任選的，如前所述，攻擊者想得知f、z是困難的，無(wú)法計(jì)算出ε=f－M’zmodq，故無(wú)法正確回答商家的質(zhì)詢，所以他也無(wú)法花費(fèi)，商家更不會(huì)受騙而發(fā)貨。

五、結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)，結(jié)合SET協(xié)議模式，使用橢圓曲線盲簽名（ECDSA），安全實(shí)用，符合目前電子現(xiàn)金的支付模式,能實(shí)現(xiàn)電子現(xiàn)金的匿名可撤銷性；缺點(diǎn)是需要認(rèn)證中心CA一直在線，與其他方案相比，多了注冊(cè)環(huán)節(jié)，且完成一次取款、支付到存款的過(guò)程需要5次簽名，6次驗(yàn)證，因而效率有待于提高。

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