Page 20 - 《软件学报》2025年第10期

软件学报 ISSN 1000-9825, CODEN RUXUEW E-mail: jos@iscas.ac.cn
2025,36(10):4417−4429 [doi: 10.13328/j.cnki.jos.007392] [CSTR: 32375.14.jos.007392] http://www.jos.org.cn
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SM3-OTS: 基于国密算法 SM3 的紧凑型后量子一次签名方案

杨亚涛 1,2 , 殷方锐 1 , 陈亮宇 1 , 潘 登 1

1
(北京电子科技学院 电子与通信工程系, 北京 100070)
2
(西安电子科技大学 通信工程学院, 陕西 西安 710071)
通信作者: 杨亚涛, E-mail: yy2008@163.com

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摘 要: SPHINCS 是一种基于哈希函数设计的无状态数字签名方案, 其被证明能够抵抗量子计算攻击. 然而, 由于
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其生成的签名值较大, 限制了 SPHINCS 在实际中的广泛应用. 为了解决 SPHINCS 签名方案中 WOTS+一次签名
方案生成的签名值长度较大的问题, 设计了一种基于国密算法 SM3 的紧凑型一次签名方案 SM3-OTS. 该签名方
案利用消息摘要值的二进制信息和十六进制信息分别作为前 32 条哈希链和后 16 条哈希链节点位置的索引, 从而
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有效缩短了传统基于哈希函数一次签名方案的密钥长度和生成签名值长度. SM3-OTS 相较于 SPHINCS 中使用
的 WOTS+、SPHINCS-α 中使用的 Balanced WOTS+以及 SPHINCS C + 中使用的 WOTS+C, 所生成的签名值长度
大约缩短了 29%、27%、26%, 签名性能得到明显提升. 同时, 通过采用国密 SM3 算法, 使得 SM3-OTS 具备良好
的抗量子攻击能力, 并保持了较好的综合性能.
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关键词: 哈希函数; SPHINCS ; 数字签名; 一次签名; 后量子密码
中图法分类号: TP309

中文引用格式: 杨亚涛, 殷方锐, 陈亮宇, 潘登. SM3-OTS: 基于国密算法SM3的紧凑型后量子一次签名方案. 软件学报, 2025,
36(10): 4417–4429. http://www.jos.org.cn/1000-9825/7392.htm
英文引用格式: Yang YT, Yin FR, Chen LY, Pan D. SM3-OTS: Compact Post Quantum One-time Signature Scheme Based on Chinese
Cryptographic Algorithm SM3. Ruan Jian Xue Bao/Journal of Software, 2025, 36(10): 4417–4429 (in Chinese). http://www.jos.org.cn/
1000-9825/7392.htm

SM3-OTS: Compact Post Quantum One-time Signature Scheme Based on Chinese
Cryptographic Algorithm SM3
1
1,2
1
YANG Ya-Tao , YIN Fang-Rui , CHEN Liang-Yu , PAN Deng 1
1
(Department of Electronic and Communication Engineering, Beijing Electronic Science & Technology Institute, Beijing 100070, China)
2
(School of Telecommunications Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China)
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Abstract: SPHINCS is a stateless digital signature scheme designed using hash functions and has been proven resistant to quantum
computing attacks. However, its wide practical application is constrained by the large size of the generated signature values. To address
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the issue of the lengthy signature value generated by the WOTS+ one-time signature scheme within SPHINCS , a compact one-time
signature scheme, SM3-OTS, based on Chinese cryptographic algorithm SM3, is proposed in this study. The proposed scheme utilizes the
binary and hexadecimal information of the message digest as the indices for node positions in the first 32 hash chains and the last 16 hash
chains, respectively. This approach effectively reduces the key length and the signature value length compared to traditional one-time
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signature schemes based on hash functions. Compared to WOTS+ in SPHINCS , Balanced WOTS+ in SPHINCS-α, and WOTS+C in
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SPHINCS C, the proposed SM3-OTS shortens the signature value length by about 29%, 27%, and 26%, respectively, with a significant
improvement in signing performance. In addition, by adopting the SM3 algorithm, SM3-OTS exhibits strong resistance to quantum attacks

* 基金项目: 北京市自然科学基金 (4232034); 中央高校基本科研业务费专项资金 (3282023017, 3282024058, 3282024052)
本文由“抗量子密码与区块链应用”专题特约编辑翁健教授、祝烈煌教授、赵运磊教授推荐.
收稿时间: 2024-07-01; 修改时间: 2024-09-05; 采用时间: 2024-12-30; jos 在线出版时间: 2025-01-20
CNKI 网络首发时间: 2025-07-31