一种基于素数谱流形拓扑约束的数字签名拓扑校验芯片及方法与流程

本发明属于密码学硬件与集成电路设计，尤其适用于数字证书签发、区块链交易签名、代码签名认证、电子合同签署、车联网v2x消息认证、物联网设备身份认证等场景中的数字签名生成与验证，具体涉及一种利用素数谱流形拓扑荷作为签名值，并以硬件加速方式实现签名生成与拓扑校验的芯片及方法。

背景技术：

1、数字签名是公钥密码体系中最核心的身份认证和消息完整性保证机制。现有数字签名方案在硬件实现层面存在以下固有限制：

2、现有签名方案（rsa、ecdsa、eddsa）依赖大整数模幂或椭圆曲线标量乘法：这些代数运算在硬件中需要大量乘法器资源，签名生成和验证的延迟在毫秒级，难以满足高频签名场景需求。rsa-2048签名验证需约 0.3-0.5 ms，ecdsa签名生成需约 0.5-1 ms。

3、现有硬件签名加速器面积大、功耗高：rsa/ecc加速器包含大位宽乘法器阵列（1024-4096位）和模约简单元，面积通常在数平方毫米以上，不适合资源受限的嵌入式设备。

4、后量子签名方案（dilithium、falcon、sphincs⁺）的硬件开销更大：格基签名需要ntt变换和多项式乘法，哈希基签名需要大量哈希运算，硬件面积和功耗进一步增加，且签名尺寸远大于经典方案。

5、现有拓扑签名方案（rh00203）尚未硬件化：基于素数谱流形拓扑荷的数字签名方法已在rh00203中提出，但尚未形成可在硅芯片上独立运行的硬件架构。

6、缺少基于拓扑荷计算的快速签名硬件：拓扑签名的核心运算（路径构造与拓扑荷计算）本质上是累加和比较操作，比模幂运算简单一个数量级以上，但尚未有专用硬件实现。

7、本发明提出一种基于素数谱流形拓扑约束的数字签名拓扑校验芯片，将路径构造与拓扑荷计算完全硬件化，实现微秒级的签名生成与验证，显著降低面积和功耗，适用于高频签名和资源受限场景。

技术实现思路

1、发明目的

2、本发明旨在提供一种基于素数谱流形拓扑约束的数字签名拓扑校验芯片及方法，通过将消息与私钥联合编码为素数谱流形上的路径、计算路径的拓扑荷作为签名的全部流程硬件化，实现签名生成与验证的极速执行（< 10 μs），同时保持小面积（< 1 mm²）和低功耗（< 50 mw），满足高频签名和嵌入式安全需求。

3、技术方案

4、本发明基于rh00203中确立的数学原理：在素数谱流形  上，任意闭合路径的拓扑荷  是路径的拓扑不变量。将消息  与私钥  联合编码为闭合路径，其拓扑荷  即为签名。验证方使用公钥  和消息  重构路径并复算拓扑荷 ，若  则签名有效。

5、本芯片包括六大核心组成部分：

6、安全私钥存储与管理模块：配置为在芯片安全边界内存储私钥 （256位），私钥永不离开芯片安全区域，通过物理不可克隆函数（puf）或一次性可编程存储器（otp）实现防篡改存储。私钥的读写受访问控制逻辑保护，仅签名生成引擎可读取。

7、消息预处理与编码模块：配置为将输入消息  按固定长度（如 32 位）分块，将每个分块映射为环面坐标点 ，其中 ，。

8、路径构造与私钥混合引擎：配置为将消息坐标点序列与私钥  派生的参数进行混合（私钥控制坐标点的插值顺序、闭合偏移量或节点交错排列），生成闭合路径 。私钥混合方式确保即使消息相同，不同私钥产生的路径和签名也不同。

9、拓扑荷计算单元：配置为沿闭合路径逐点累加相位差 （归一化至 ），计算拓扑荷 ，以二进制形式输出作为签名值 （典型长度 256 位）。该单元包含相位差分累加器、归一化逻辑和除法器，完全流水线化。

10、签名验证引擎：配置为使用公钥  和消息  按相同编码规则重构路径 ，复算拓扑荷 ，与收到的签名  进行比对，输出验证通过/拒绝标志。验证引擎与签名生成引擎共用拓扑荷计算单元，通过模式切换（生成/验证）复用硬件资源，面积仅增加约15%。

11、抗侧信道攻击防护模块：配置为在执行签名生成操作时，随机插入空操作周期（随机延时插入），使功耗曲线和电磁辐射曲线不泄露私钥相关的时序信息，防御简单功耗分析（spa）和差分功耗分析（dpa）攻击。

12、整体流程（签名生成端）： 输入消息  + 私钥  → 消息分块映射到环面 →私钥混合路径构造 → 闭合路径生成 → 拓扑荷计算  → 输出签名

13、整体流程（验证端）： 输入消息  + 签名  + 公钥  → 消息分块映射到环面 → 公钥控制路径重构 → 闭合路径生成 → 拓扑荷复算  → 比对  与  → 一致则验证通过

14、时序性能： - 签名生成延迟：< 10 μs（2048位消息分块为 64 个 32 位字，路径节点数 64，流水线完全展开时每时钟周期处理 1 个节点） - 签名验证延迟：< 10 μs -签名尺寸：256 位（拓扑荷值） - 公钥尺寸：256 位

15、有益效果

16、签名生成与验证延迟 < 10 μs，比 rsa-2048（约 0.3-0.5 ms）快 30-50 倍，比ecdsa（约 0.5-1 ms）快 50-100 倍；

17、芯片面积 < 1 mm²，功耗 < 50 mw（28nm工艺），远小于rsa/ecc加速器（通常 3-5mm²，数百mw）；

18、签名尺寸仅 256 位（32 字节），远小于 dilithium（约 2.4kb）和 sphincs⁺（约8kb）；

19、私钥永不离开芯片安全边界，抗物理攻击；

20、抗侧信道攻击防护模块通过随机延时插入，有效防御 spa 和 dpa 攻击；

21、签名生成与验证共用拓扑荷计算单元，面积高效；

22、与 rh00400 密码学硬件加速架构共享素数谱流形映射引擎，实现硬件资源复用。

1.一种基于素数谱流形拓扑约束的数字签名拓扑校验芯片，其特征在于，包括： 安全私钥存储与管理模块，配置为在芯片安全边界内存储私钥 ； 消息预处理与编码模块，配置为将输入消息  分块映射为素数谱流形  上的坐标点序列 ； 路径构造与私钥混合引擎，配置为将所述坐标点序列与私钥混合，生成闭合路径 ； 拓扑荷计算单元，配置为计算所述闭合路径的拓扑荷 ，以二进制形式输出作为签名值； 签名验证引擎，配置为使用公钥  和消息  重构路径并复算拓扑荷 ，与签名值  比对输出验证结果；抗侧信道攻击防护模块，配置为在签名生成操作中随机插入空操作周期，防御功耗分析攻击。

2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述消息预处理与编码模块的映射方式为：每个消息分块  映射为尺度坐标  和相位坐标 ，其中 为预设位宽。

3.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述路径构造与私钥混合引擎中，私钥控制所述坐标点的插值顺序、闭合偏移量和节点交错排列中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述拓扑荷 ，为整数。

5.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述签名验证引擎与拓扑荷计算单元共用同一硬件，通过模式选择信号在签名生成模式和签名验证模式之间切换。

6.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述签名生成的延迟 < 10 μs，签名尺寸为 256 位。

7.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述安全私钥存储模块采用物理不可克隆函数（puf）或一次性可编程存储器（otp）实现防篡改存储。

8.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述抗侧信道攻击防护模块的随机延时插入周期数量可配置为  至  个时钟周期，且随机数源与签名生成过程无关，防止随机数被建模分析。

9.一种基于素数谱流形拓扑约束的数字签名拓扑校验方法，应用于权利要求1-8所述芯片，其特征在于包括签名生成步骤和签名验证步骤： 签名生成步骤：输入消息  → 分块映射为环面坐标 → 与私钥  混合 → 构造闭合路径  → 计算拓扑荷  → 输出签名值； 签名验证步骤：输入消息  和签名  → 分块映射为环面坐标 → 与公钥 混合 → 重构闭合路径  → 复算拓扑荷  → 比对  与 ，一致则验证通过。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法支持聚合签名模式：将  条消息的路径合并为一条复合路径，计算其拓扑荷作为聚合签名，验证时分别验证各子路径的拓扑荷之和是否等于聚合签名值。