使用Permutations Supersonic Ligero Elliptic Signature算法改进农业食品供应链的认证机制

《International Journal of Food Properties》：Improve the authentication of agricultural food supply chain using Permutations Supersonic Ligero Elliptic Signature Algorithm

区块链技术在农业供应链（FSC）中的应用面临元数据泄露和量子威胁两大挑战。本文提出混合加密框架Permutations Supersonic Ligero Fractal (PSLF)与Elliptic eXtended Merkle Curve Digital Signature Algorithm (EXMC-DSA)，前者通过零知识证明（ZKP）和紧凑证明技术防止跨实体数据聚合泄露敏感运营信息，后者整合量子安全算法（Kyber、XMSS、SPHINCS+）抵御Shor算法攻击。实验表明，该模型在交易处理时间（0.001秒）、吞吐量（500 TPS）和存储效率（40%）上显著优于现有方案，同时满足隐私保护与可扩展性需求。

　　区块链技术在农业食品供应链（FSC）中提升了透明度和安全性，但仍然面临数据隐私和新兴计算威胁等挑战。这些挑战限制了许可区块链系统的效率和安全性。为了解决这些问题，提出了一种新颖的密码学框架——Permutations Supersonic Ligero Elliptic eXtended Merkle Curve Digital Signature Algorithm（PSLF + EXMC-DSA）。该框架通过高级密码学技术和隐私保护协议，确保在许可区块链基础上的农业FSC中，数据隐私得到保护，同时防止对手通过分析交易模式或跨实体数据片段来推断敏感的运营信息。此外，该方法还引入了针对量子计算威胁的量子安全协议，确保在面对未来潜在威胁时，系统的安全性和效率得以维持。

在农业食品供应链中，数据隐私问题尤为突出。由于供应链涉及多个参与方，包括生产者、分销商、监管机构等，交易数据的暴露可能导致对手通过分析交易时间戳、频率和数据量来获取敏感信息，例如生产高峰时间、运输模式或库存情况。这种信息泄露不仅会影响供应链的保密性，还可能给参与方带来竞争劣势。为此，PSLF通过零知识证明（ZKP）技术，如PLONK、Supersonic和Ligero，确保在验证交易时不会暴露交易细节，从而防止对手通过数据模式进行推理。同时，Fractal的后量子加密技术确保了数据在传输和存储过程中不会被解密或关联，有效防范了跨实体数据聚合带来的隐私风险。

为了应对量子计算带来的安全威胁，EXMC-DSA被提出，该方法结合了量子安全的密钥交换和签名方案。量子计算中的Shor算法能够高效解决离散对数和整数分解问题，这直接威胁了基于这些数学问题的传统加密系统，如椭圆曲线密码学（ECC）。为了解决这一问题，EXMC-DSA引入了Kyber，一种基于格的加密算法，它利用格问题的计算难度来确保数据安全，即使面对量子计算攻击也能保持加密的完整性。同时，该方法还结合了XMSS和SPHINCS+，这两种基于哈希的签名方案具有抗量子攻击的能力，能够有效防止Shor算法对签名的破坏。通过将这些技术与传统的ECDSA结合，EXMC-DSA实现了当前的效率和未来的安全性，确保了区块链在农业FSC中的持续可靠运行。

PSLF和EXMC-DSA的结合，为农业食品供应链提供了一个多层的安全解决方案。PSLF通过零知识证明技术保护交易元数据，防止对手通过分析交易模式获取敏感信息。而EXMC-DSA则通过量子安全的加密和签名方案，确保即使在量子计算成为现实的情况下，交易数据仍然安全可靠。这种混合密码学方法不仅提高了数据隐私保护的水平，还增强了系统的抗攻击能力，为农业FSC的长期发展提供了坚实的安全基础。

在实际应用中，PSLF和EXMC-DSA的集成使得区块链系统能够在不牺牲效率和可扩展性的前提下，实现更高的安全性。例如，在农产品供应链中，PSLF通过加密和模糊处理元数据，确保即使在数据被泄露的情况下，对手也无法通过分析数据模式来推断关键信息。同时，EXMC-DSA的引入使得系统能够抵御量子计算带来的威胁，确保交易数据在未来的安全性和不可篡改性。这种设计不仅适用于当前的农业FSC，也为未来的智能农业系统提供了可持续的安全解决方案。

PSLF和EXMC-DSA的性能在多个方面表现出色。通过零知识证明技术，PSLF能够生成紧凑的证明，从而减少验证过程中的计算负担，提高系统的可扩展性。同时，该框架的非交互式设置确保了所有参与方都能独立验证交易，而不需要依赖中心化的信任设置。这不仅提升了系统的透明度，还降低了计算复杂度，使得区块链能够在高并发交易场景中保持高效运行。此外，EXMC-DSA的量子安全特性使其在面对未来计算技术的挑战时，依然能够保持数据的完整性和不可篡改性。

在农业食品供应链的实际应用中，PSLF和EXMC-DSA能够有效解决跨实体数据聚合带来的隐私风险。例如，在农产品运输过程中，多个参与方可能共享数据，但这些数据如果被聚合，可能会暴露敏感的运营策略。PSLF通过加密和模糊处理，确保即使数据被收集，也无法还原出原始信息，从而保护了参与方的隐私。同时，EXMC-DSA的引入使得数据在加密后，能够抵抗量子计算带来的攻击，确保数据在未来的安全性。

PSLF和EXMC-DSA的结合，不仅提升了农业食品供应链的安全性，还增强了系统的可扩展性和效率。通过使用零知识证明和后量子加密技术，该框架能够在保持数据隐私的同时，实现快速的交易验证和加密解密过程。这使得区块链系统能够在处理大量交易时，依然保持高效运行，满足农业供应链对实时性和大规模数据处理的需求。此外，该方法还降低了存储开销，通过紧凑的证明和哈希加密技术，减少了区块链节点存储数据的负担，提高了整体系统的运行效率。

总之，PSLF和EXMC-DSA为农业食品供应链提供了一种全面的安全解决方案，既保护了数据隐私，又确保了系统的抗量子攻击能力。该方法通过结合多种先进的密码学技术，实现了高效、安全和可扩展的区块链应用，为农业供应链的数字化转型提供了强有力的支持。尽管该框架在实施和维护方面可能带来一定的成本，但其在数据隐私和安全方面的优势，使其成为农业食品供应链的未来发展方向。通过进一步优化和集成，PSLF和EXMC-DSA有望在实际应用中发挥更大的作用，为农业供应链的安全性和透明度提供保障。