量子安全的Lamport One Time Signature 算法学习

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https://www.btcstudy.org/2025/08/25/quantum-safe-lamport-signatures/

专有名词解释和简写

原文 简写
One Time Signature OTS

原理

前提条件

对于Lamport OTS 算法的原理,需要有一些明确的前提条件。

  1. 假设Lamport 算法使用的加密算法是sha256(但实际上无论用什么hash算法都可以),后续提到的hash 即为这个算法
  2. Lamport OTS 算法不考虑原文是否被加密,即对MSG的操作都是原文
  3. 我们需要规定两个私钥集合A和集合B,两个集合中都含有长度为256位的256个随机数,如下图所示:

这两个集合中含有的随机数就是我们Lamport 算法的私钥,而公钥则是私钥通过hash 运算而来。因此两个私钥集合就会得到对应的两个公钥集合

工作原理

在刚才的前提条件中,我们已经讲解完了在Lamport 算法中密钥是如何生成的。简单来说只是生成了512个随机数,然后对他们做hash,就得到了我们的公钥,原本的随机数则是私钥

签名过程

先提出签名过程总体流程

  1. 将消息(msg message)进行一次hash 操作,这个操作记作h(m) ,得到输出 rsltrslt长度为256bit
  2. 将hash 操作输出的结果rslt 视作一个0和1构成的比特流
  3. 根据rslt 的比特流构成,(这里假设0对应私钥集合A,1对应私钥集合B)从两个私钥集合中取出对应序号的私钥来构成签名,每个私钥作为构成签名的一个数字(number) ,下面引用学习博客中的的一张图更直观的显示签名构建的过程

验签过程

  1. 验签的时候,先对原本的消息M进行一次hash,得到结果table它的大小为256bit,结果与签名构建时的rslt相同
  2. 再对签名S按照number进行划分,对每个number 做一次hash,这次操作为h(number) ,得到的结果的集合为rslt_set ,集合中的元素为h(number)
  3. 这时,我们可以根据table中的bit来判断,每256bit 对应的是哪个一个集合的公钥。将rslt_set 中的元素与对应公钥集合里面的公钥对比,判断它们是否一致。如果一致,则继续往下检查,直到rslt_set中的所有元素都与公钥表中的公钥一致。

如果全都一致,则代表验签通过,否则验签失败

例如,table0(bit0) = 1,由于table = rslt_set,因此我们需要判断出rslt_set的一个元素要与公钥集合B中的第0个公钥要相同,不然的话,验签就失败了。

弊端

从原理中我们不难发现,由于签名的构造是根据私钥本身来拼凑而成的,每次验签过后,我们就会暴露出50%的私钥。等到下一次验签后,我们最多会暴露出一共75%的私钥。这样下去,我们没有暴露出的私钥就越来越少了

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