Comprehensive Study of Hash-Based Digital Signature

• Project/Area Number: 18K11162
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 60010:Theory of informatics-related
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: KAJI Yuichi 名古屋大学, 情報連携推進本部, 教授 (70263431)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2018: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: ハッシュベース署名 / 耐量子安全性 / Winternitzワンタイム署名 / 強存在的偽造不可能生 / 指紋関数 / 比較不能部分集合 / 電子署名 / Winternitz署名 / ワンタイム署名 / 暗号学的ハッシュ関数 / 安全性証明 / Winternitz署名方式 / 鍵パンクチャ / 情報理論的安全性 / 状態機械複製問題 / ファジング / 情報セキュリティ / ハッシュ関数 / 量子安全性

Outline of Final Research Achievements

Hash-based signatures are expected to have post-quantum security, and improving their efficiency has been a focal point in recent years. This study improves widely recognized Winternitz one-time signature (OTS) and proposes novel schemes that are more efficient than Winternitz OTS while preserving the provable security notion of the strongly existential unforgeability. A crucial point is an introduction of constant-sum and zero-sum fingerprinting functions that involve the check-sum mechanism of Winternitz OTS and contribute to prevent one valid signature to be used maliciously to forge another signatures that pass the signature verification.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ハッシュベース暗号は，耐量子安全性を実現する有望な基礎技術であるが，その効率の悪さがしばしば指摘されてきた．本研究では，代表的なハッシュベース暗号として広く使用されているWinternitz方式の効率改善に成功しており，耐量子安全な技術の実用化に大きく貢献することが期待される．また，本研究においては，ハッシュベース署名で使用する指紋関数の値域が備えるべき条件について詳細に検討を行っており，比較不能部分集合の概念を明確に定義している．比較不能部分集合は，情報理論・符号理論的な見地からも興味深い対象であり，関連研究の発展への動機づけを与える可能性がある．

Research Products

• [Journal Article] Hash-Based Signature with Constant-Sum Fingerprinting and Partial Construction of Hash Chains (2018)
  • Author(s): Kaji Yuichi、Paul Cruz Jason、Yatani Yoshio
  • Journal Title: 15th International Conference on Security and Cryptography Volume: 1 Pages: 297-304
  • DOI: 10.5220/0006828202970304
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Information leakage through passive timing attacks on ElGamal Elliptic Curve Cryptography (2021)
  • Author(s): Tomonori Hirata, Yuichi Kaji
  • Organizer: 暗号と情報セキュリティシンポジウム 2021
• [Presentation] A Real-Time Bluetooth Protocol Fuzzing System (2021)
  • Author(s): Bo Wang, Ako Suzuki, Yuichi Kaji
  • Organizer: 電子情報通信学会情報セキュリティ研究会
• [Presentation] Information Leakage through Passive Timing Attacks on RSA Decryption System (2020)
  • Author(s): Tomonori Hirata, Yuichi Kaji
  • Organizer: Proceedings of 2020 International Symposium on Information Theory and Its Applications
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 遺伝的アルゴリズムを用いたBluetoothファジングの検討 (2020)
  • Author(s): 山中隆太郎, 王博, 鈴木亜香, 楫勇一
  • Organizer: 暗号と情報セキュリティシンポジウム 2020
• [Presentation] 署名鍵のパンクチャと定数和指紋を利用したハッシュベース署名 (2020)
  • Author(s): 柏倉祐吉, 楫勇一
  • Organizer: 暗号と情報セキュリティシンポジウム 2020
• [Presentation] RSA復号プログラムへのタイミング攻撃により得られる秘密鍵の漏洩情報量評価 (2019)
  • Author(s): 平田智紀，楫勇一
  • Organizer: 電子情報通信学会 情報セキュリティ研究会
• [Presentation] BLDAG: Generalization of the Blockchain into Bi-Layered Directed Acyclic Graph (2019)
  • Author(s): Atsuki Momose, Jason Paul Cruz, Yuichi Kaji
  • Organizer: コンピュータセキュリティシンポジウム 2019
• [Presentation] Information leakage through passive timing attacks on RSA decryption system (2019)
  • Author(s): Tomonori Hirata, Yuichi Kaji
  • Organizer: コンピュータセキュリティシンポジウム 2019
• [Presentation] The amount of information leakage of decryption keys through timing attacks on RSA decryption system (2019)
  • Author(s): Tomonori Hirata, Yuichi Kaji
  • Organizer: 電子情報通信学会 情報セキュリティ研究会
• [Presentation] 署名鍵のパンクチャによるWinternitz OTSの改良 (2018)
  • Author(s): 柏倉祐吉，楫勇一
  • Organizer: 電子情報通信学会 情報セキュリティ研究会