seyyedarashazimi/dgsp

# DGSP [](https://github.com/seyyedarashazimi/dgsp/actions/workflows/rust.yml) [](https://seyyedarashazimi.github.io/dgsp/) [](https://crates.io/crates/dgsp) ## 概述 DGSP 是一种高效且可扩展的后量子全动态群签名方案，完全使用纯 Rust 实现。它利用 SPHINCS+ 签名方案来提供安全、可扩展且高效的群签名机制，从而 抵御未来的量子计算威胁。 DGSP 支持： - 高达 2⁶⁰ 个用户的庞大用户群。 - 紧凑的密钥对和签名大小。 - 高效的签名和验证流程。 - 针对正确性、不可伪造性、匿名性和可追踪性的安全保证。 - 管理员行为可被裁决。 此实现针对性能和模块化进行了优化，使其成为密码学研究 以及需要长期安全性的现实应用场景的有力选择。 ## DGSP 论文 要获取有关 DGSP 群签名方案的更多信息，请参阅论文：https://eprint.iacr.org/2025/760 ## API 文档 完整的 API 文档托管于：https://seyyedarashazimi.github.io/dgsp/ 它是从源代码自动构建的。 要在本地从源码构建并打开文档： ``` cargo doc --no-deps --open ``` ## 功能 ### 核心功能 - **密钥生成**：管理员和用户的密钥生成。 - **加入**：通过密码学生成的标识符进行安全的用户注册。 - **签名**：使用高效的基于哈希的密码学原语和预计算的证书对消息进行签名。 - **验证**：验证签名的真实性和有效性。 - **打开**：管理员能够将签名追踪到特定用户，同时不泄露其他用户的匿名性。 - **撤销**：高效的撤销机制，包括撤销用户、其对应的签名以及先前生成的证书。 - **裁决管理员**：评估管理员的行为，确保管理员将给定的签名正确打开至一个 ID。 ### 密码学原语 - **高效的基于哈希的密码学操作**： - 根据 SPHINCS+ 参数，利用 SHA-2 和 SHAKE 变体的优势。 - **SPHINCS+ 封装器**： - 提供密钥生成、签名和验证的实用工具，简化了 SPHINCS+ 的使用。 - **WOTS+ (Winternitz One-Time Signature Plus)**： - 作为 DGSP 的基础签名原语。 - 支持唯一地址派生，以确保抵抗多目标攻击。 - **AES**： - 扮演强伪随机置换的角色，以实现可追踪性。 ### 安全性 - 构建于 **SPHINCS+** 之上，这是一种无状态的基于哈希的签名方案。 - 能够抵抗量子对手。 - 提供 **用户匿名性**、**不可伪造性**、**可追踪性** 和 **正确性**。 - 确保不再需要的敏感密码学材料通过清零操作从内存中安全擦除。 - 管理员的行为可被审计和裁决。 ### 可扩展性与效率 - 支持多达 2⁶⁰ 名用户。 - 新用户的添加和撤销是无缝且高效的。 - 提供内存和磁盘存储后端。 - 使用 rayon crate 进行并行化操作，提升性能。 - 无需设置和初始化时间。 ### 存储接口 - **PLMInterface** (Private List Manager Interface，私有列表管理员接口)： - 存储与用户相关的数据，例如用户名、活动状态和证书计数器。 - 提供添加新用户、停用用户、管理已颁发证书的计数器以及通过 ID 或用户名检索用户信息的功能。 - 支持内存和磁盘存储后端，提供了灵活性。 - 将 DGSP 与存储实现解耦，使其能够与其他数据库系统集成。 - **RevokedListInterface**： - 管理已撤销证书的列表，并确保被撤销的签名失效。 - 使用优化的数据结构支持高效插入和检查已撤销的证书。 - 旨在与内存和磁盘存储系统无缝协作。 - 允许 DGSP 独立于存储实现运行，支持与各种数据库系统集成。 库本身提供了上述接口的内存和磁盘实现。不过，开发者也可以根据自己的数据库和需求实现这两个接口。 ## 基准测试 ### DGSP 时间基准测试 我们在一台使用 Rust 1.84.0 (stable) 并开启 release 模式运行的 Ubuntu 24.04 电脑上进行了测试。测试在 Intel® Core™ i7-4702MQ CPU @ 2.20 GHz、配备 16 GiB 内存的机器上完成。为了保持结果稳定，我们仅使用了 单个处理器核心，并关闭了超线程和睿频加速。测试结果为 100 次测试运行的平均值。请注意，在实际中， 像 Gen Cert 这样最耗时的操作将并行执行，因为代码支持多线程。 所有基准测试时间均以毫秒为单位。 #### `sphincs_shake_256f` 功能的 DGSP 时间基准测试 ``` | DB feature | in-memory | in-disk | | GROUP SIZE | 2^10 | 2^25 | 2^10 | 2^25 | | BATCH SIZE | 1 | 8 | 1 | 8 | 1 | 8 | 1 | 8 | |----------------|--------|--------|--------|--------|--------|--------|--------|--------| | Manager KeyGen | 3.0521 | 3.0534 | 3.0536 | 3.0545 | 3.0585 | 3.0594 | 3.0546 | 3.0558 | | Join | 0.0030 | 0.0030 | 0.0029 | 0.0029 | 0.0259 | 0.0255 | 0.0278 | 0.0287 | | CSR | 1.3630 | 10.985 | 1.3626 | 10.988 | 1.3982 | 11.045 | 1.4025 | 11.051 | | Gen Cert | 61.451 | 491.53 | 61.552 | 491.55 | 61.910 | 495.04 | 61.596 | 492.15 | | Sign | 1.3875 | 1.3870 | 1.3886 | 1.3869 | 1.4196 | 1.4202 | 1.4186 | 1.4192 | | Verify | 2.7706 | 2.7678 | 2.7808 | 2.7725 | 2.7626 | 2.7670 | 2.7667 | 2.7778 | | Open | 0.6798 | 0.6948 | 0.6987 | 0.7043 | 0.6957 | 0.6978 | 0.6831 | 0.6954 | | Judge | 0.6917 | 0.6912 | 0.7014 | 0.6937 | 0.6914 | 0.6728 | 0.6878 | 0.6877 | | Revoke | 0.0007 | 0.0027 | 0.0008 | 0.0027 | 0.0305 | 0.0754 | 0.0259 | 0.0909 | ``` #### `sphincs_shake_256s` 功能的 DGSP 时间基准测试 ``` | DB feature | in-memory | in-disk | | GROUP SIZE | 2^10 | 2^25 | 2^10 | 2^25 | | BATCH SIZE | 1 | 8 | 1 | 8 | 1 | 8 | 1 | 8 | |----------------|--------|--------|--------|--------|--------|--------|--------|--------| | Manager KeyGen | 48.888 | 48.892 | 48.921 | 48.886 | 48.802 | 48.923 | 48.882 | 48.919 | | Join | 0.0030 | 0.0030 | 0.0029 | 0.0029 | 0.0250 | 0.0263 | 0.0272 | 0.0280 | | CSR | 1.3552 | 10.894 | 1.3556 | 10.905 | 1.4094 | 11.126 | 1.4117 | 11.137 | | Gen Cert | 582.70 | 4661.6 | 583.53 | 4661.6 | 582.93 | 4664.1 | 583.52 | 4667.4 | | Sign | 1.3847 | 1.3835 | 1.3863 | 1.3848 | 1.4418 | 1.4396 | 1.4874 | 1.4813 | | Verify | 1.8255 | 1.8248 | 1.8207 | 1.8180 | 1.8515 | 1.8561 | 1.8571 | 1.8529 | | Open | 0.6991 | 0.6881 | 0.6901 | 0.6911 | 0.7137 | 0.7060 | 0.7197 | 0.7237 | | Judge | 0.6806 | 0.6813 | 0.6744 | 0.6798 | 0.7016 | 0.6987 | 0.7016 | 0.6986 | | Revoke | 0.0012 | 0.0044 | 0.0012 | 0.0046 | 0.1773 | 0.0733 | 0.0322 | 0.0797 | ``` ### DGSP 管理员密钥和签名大小 所有大小均以字节为单位。 ``` | SPHINCS+ feature | Public Key | Secret Key | Signature | |--------------------|------------|------------|-----------| | sphincs_sha2_128f | 32 | 96 | 17696 | | sphincs_sha2_128s | 32 | 96 | 8464 | | sphincs_sha2_192f | 48 | 144 | 36952 | | sphincs_sha2_192s | 48 | 144 | 17512 | | sphincs_sha2_256f | 64 | 192 | 52080 | | sphincs_sha2_256s | 64 | 192 | 32016 | | sphincs_shake_128f | 32 | 96 | 17696 | | sphincs_shake_128s | 32 | 96 | 8464 | | sphincs_shake_192f | 48 | 144 | 36952 | | sphincs_shake_192s | 48 | 144 | 17512 | | sphincs_shake_256f | 64 | 192 | 52080 | | sphincs_shake_256s | 64 | 192 | 32016 | ``` ## 安装说明 ### 前置条件 DGSP 完全使用 Rust 实现。请通过 [rustup](https://rustup.rs/) 安装 Rust。 - **最低支持的 Rust 版本 (MSRV)：** 1.63.0 - **本 README 中用于基准测试的 Rust 版本：** 1.84.0 (stable) - **用于基准测试的平台：** Ubuntu 24.04, Intel® Core™ i7-4702MQ @ 2.20 GHz, 16 GiB 内存 ### 依赖项 下表列出了所有直接依赖项及其使用的版本： | 依赖项 | 版本 | 备注 | |:-----------------------|:--------|:-----------------------------------------------------------| | `aes` | 0.8.4 | 用于可追踪性的 AES 分组密码 | | `pqcrypto-sphincsplus` | 0.7.0 | SPHINCS+ 签名方案 | | `pqcrypto-traits` | 0.3.5 | pqcrypto crate 的 trait | | `rand` | 0.8.5 | 随机数生成 | | `rayon` | 1.10.0 | 数据并行计算 | | `thiserror` | 2.0.11 | 错误类型派生 | | `zeroize` | 1.8.1 | 安全内存擦除 | | `bincode` | 1.3.3 | 二进制序列化 (可选，`in-disk`) | | `serde` | 1.0 | 序列化框架 (可选，`serialization`) | | `serde_json` | 1.0 | JSON 序列化 (可选，`in-disk`) | | `serde-big-array` | 0.5.1 | 对大型数组的 Serde 支持 (可选，`serialization`) | | `sha2` | 0.10.8 | SHA-2 哈希函数 (可选，`sphincs_sha2_*`) | | `sha3` | 0.10.8 | SHA-3/SHAKE 哈希函数 (可选，`sphincs_shake_*`) | | `sled` | 0.34.7 | 嵌入式数据库 (可选，`in-disk`) | 开发依赖项：`criterion` 0.5 (基准测试), `tempfile` 3.15 (测试), `tracing-test` 0.2.5 (测试)。 ### Docker (本地 Rust 安装的替代方案) Docker Hub 上提供了一个预构建的 Docker 镜像，它提供了一个完全自包含的环境，其中已编译了 Rust 1.84.0 和所有依赖项： ``` docker pull arashazimi/dgsp ``` 运行端到端示例： ``` docker run --rm arashazimi/dgsp cargo run --example simple --release ``` 运行完整的测试套件： ``` docker run --rm arashazimi/dgsp cargo test --release ``` 运行基准测试（例如：内存模式，`sphincs_shake_256f`）： ``` docker run --rm arashazimi/dgsp \ cargo bench --bench dgsp_full_in_memory \ --no-default-features --features "in-memory benchmarking sphincs_shake_256f" ``` 从项目根目录开始，复现所有论文基准测试配置并将日志检索到主机： ``` docker run --name dgsp_bench arashazimi/dgsp bash -c "cd benches && bash all_benchmarks.sh" docker cp dgsp_bench:"$(docker exec dgsp_bench sh -c 'ls -d /dgsp/benches/log_*')" benches/ docker rm -f dgsp_bench ``` 然后在主机上解析结果（需要 Python 3，无需额外依赖项）： ``` python3 benches/parse_benchmarks.py ``` 要从源码在本地构建镜像： ``` docker build -t arashazimi/dgsp . ``` ### 将 DGSP 添加到您的项目 要将 DGSP 作为库使用，请将其添加到您的 `Cargo.toml` 中： ``` [dependencies] dgsp = "0.1.2" ``` 要在安装期间启用特定功能，请参考以下示例： ``` [dependencies] dgsp = { version = "0.1.2", default-features = false, features = ["in-disk", "sphincs_shake_256f"] } ``` ## 基本用法 ### 管理员设置 生成管理员密钥，并打开管理员的私有列表和公开撤销列表数据库： ``` use dgsp::*; // generate manager keypairs: let (pkm, skm) = DGSP::keygen_manager().unwrap(); // generate plm and revoked_list using in-memory feature let plm = InMemoryPLM::open("").unwrap(); let revoked_list = InMemoryRevokedList::open("").unwrap(); // or generate plm and revoked_list using in-disk feature use std::path::PathBuf; let path = PathBuf::new(); let plm = InDiskPLM::open(&path).unwrap(); let revoked_list = InDiskRevokedList::open(&path).unwrap(); ``` ### 用户设置 用户加入系统并获取其唯一的 ID 和密码学标识符： ``` let username = "alice"; let (id, cid_star) = DGSP::join(&skm.msk.hash_secret, username, &plm).unwrap(); ``` 用户还需要生成一个私有种子： ``` let seed_u = DGSP::keygen_user(); ``` ### CSR、证书与签名 创建一批证书签名请求： ``` let batch_size = 8; let (wots_pks, mut wots_seeds) = DGSP::csr(&seed_u, batch_size); ``` 管理员生成相应的证书： ``` let mut certs = DGSP::gen_cert(&skm, id, &cid_star, &wots_pks, &plm).unwrap(); ``` 用户对消息进行签名： ``` let message = b"Hello, DGSP!"; let signature = DGSP::sign(message, &seed_u, id, &cid_star, wots_seeds.pop().unwrap(), certs.pop().unwrap()); ``` ### 验证 验证签名： ``` DGSP::verify(message, &signature, &revoked_list, &pkm).unwrap(); ``` ### 打开 管理员可以打开签名以查明是谁对其进行了签名： ``` let (signer_id, signer_username, proof) = DGSP::open(&skm.msk, &plm, &signature, message).unwrap(); ``` ### 裁决 对管理员进行裁决，确保给定的签名和消息被正确打开至该用户 ID： ``` DGSP::judge(&signature, message, id, &proof).unwrap(); ``` ### 撤销 撤销用户及其关联的证书： ``` DGSP::revoke(&skm.msk.aes_key, &plm, &[id], &revoked_list).unwrap(); ``` 要了解更多信息，请参阅 `examples/simple.rs`。可以通过以下命令为特定的 sphincs 功能运行 `simple.rs` 示例： ``` cargo run --example simple --no-default-features --features "in-disk in-memory sphincs_shake_256f" --release ``` ## 测试 使用以下命令运行测试： ``` cargo test ``` 要测试特定配置，请启用相应的功能标志： ``` cargo test --no-default-features --features "in-disk sphincs_shake_256f" ``` 要在类 Unix 操作系统中测试所有配置组合，请运行提供的脚本： ``` bash ./tests/all_features_full_test.sh ``` 请注意，完整的测试需要一些时间才能完成。 ## 基准测试 使用以下命令运行基准测试： ``` cargo bench --bench dgsp_full_in_disk cargo bench --bench dgsp_full_in_memory ``` 请注意，上述命令将为 Cargo.toml 中选择的默认功能运行基准测试。要选择特定的 SPHINCS+ 功能，请运行： ``` cargo bench --bench dgsp_full_in_disk --no-default-features --features "in-disk benchmarking sphincs_shake_256s" cargo bench --bench dgsp_full_in_memory --no-default-features --features "in-memory benchmarking sphincs_shake_256s" ``` ### 复现论文的基准测试表 要复现论文中报告的全套时间基准测试，请使用提供的脚本遍历所有配置 （两个选定的 SPHINCS+ 变体 × 两种存储后端 × 群组大小 2^10 和 2^25 × 批处理大小 1 和 8）： ``` cd benches bash all_benchmarks.sh ``` 该脚本会修改基准测试常量，针对每个配置运行 Criterion，并将原始日志保存在 `benches/log_/in_memory/` 和 `benches/log_/in_disk/` 目录下。 **解析输出：** 脚本执行完毕后，使用 `parse_benchmarks.py`（需要 Python 3，无需额外依赖项）解析日志文件并打印格式化的时间表： ``` python3 benches/parse_benchmarks.py ``` 该脚本会自动选择最新的 `log_*` 目录。您也可以显式传入一个路径： ``` python3 benches/parse_benchmarks.py benches/log_ ``` 每个 Criterion 日志块如下所示： ``` DGSP_in_memory_using_sphincs_shake_256f_with_1024_users_and_1_batch/keygen_manager time: [3.0519 ms 3.0521 ms 3.0524 ms] ``` 这三个数值分别是 100 个样本的置信下限、**平均值** 和置信上限。论文报告的是 **平均值**（中间值）。解析器会提取平均值并将所有数值转换为毫秒。 ## 功能标志 该库支持多个用于自定义的功能标志： - **`in-disk`**：使用 `sled` crate 启用磁盘存储。 - **`in-memory`**：启用内存存储。 - **`serialization`**：启用密码学密钥和结构的序列化。 - **SPHINCS+ 变体**：从基于 SHA-2 或基于 SHAKE 的配置中进行选择，以满足不同的安全级别以及性能/大小目标： - `sphincs_sha2_128f` - `sphincs_sha2_128s` - `sphincs_sha2_192f` - `sphincs_sha2_192s` - `sphincs_sha2_256f` - `sphincs_sha2_256s` - `sphincs_shake_128f` - `sphincs_shake_128s` - `sphincs_shake_192f` - `sphincs_shake_192s` - `sphincs_shake_256f` - `sphincs_shake_256s` - **`benchmarking`**：用于基准测试目的。 ## 源代码组织 ``` src/ ├── lib.rs # Crate root; re-exports the public API ├── scheme.rs # Core protocol: all DGSP algorithms (keygen_manager, keygen_user, │ # join, csr, gen_cert, sign, verify, open, judge, revoke) and all │ # key / signature / certificate type definitions ├── params.rs # Compile-time constants derived from the chosen SPHINCS+ variant │ # (security level λ, byte sizes for keys, signatures, etc.) ├── db.rs # PLMInterface and RevokedListInterface trait definitions ├── db/ │ ├── in_memory.rs # In-memory PLM and RevokedList (feature: in-memory) │ └── in_disk.rs # Persistent sled-backed PLM and RevokedList (feature: in-disk) ├── cipher.rs # AES wrapper used for user-ID encryption in traceability ├── hash.rs # Hash function dispatcher (SHA-2 or SHAKE, selected at compile time) ├── hash/ # Per-parameter-set SHA-2 and SHAKE implementations ├── sphincs_plus.rs # SPHINCS+ wrapper: key generation, signing, verification ├── sphincs_plus/ # Per-parameter-set SPHINCS+ constants and ADRS byte-offset tables ├── wots_plus.rs # WOTS+ (Winternitz One-Time Signature Plus) core implementation ├── wots_plus/ # ADRS (address) type used by WOTS+ operations ├── error.rs # Error and Result types (Error, VerificationError) └── utils.rs # Internal byte-conversion helpers (u32/u64 ↔ big-endian bytes) benches/ ├── dgsp_full_in_memory.rs # Criterion benchmark suite for the in-memory backend ├── dgsp_full_in_disk.rs # Criterion benchmark suite for the in-disk backend ├── bench_utils.rs # Shared helpers (SPHINCS+ feature detection, duration formatting) ├── all_benchmarks.sh # Runs all benchmark configurations and collects log files └── parse_benchmarks.py # Parses Criterion log files and prints timing tables (run on host) examples/ └── simple.rs # End-to-end example covering all DGSP operations tests/ └── all_features_full_test.sh # Iterates over all SPHINCS+ × storage feature combinations # and runs the full test suite for each ``` ## 贡献 欢迎您的贡献！要做出贡献，请： 1. Fork 本仓库。 2. 为您的功能或错误修复创建一个新分支。 3. 提交 Pull request，并详细描述您的更改。 ## 许可证 本仓库基于 [MIT 许可证](https://github.com/seyyedarashazimi/dgsp/blob/main/LICENSE) 授权。

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