在信息化时代下,数据的安全性一直是人们关注的焦点。作为公钥密码学的重要原语之一,数字签名可以为网络通信提供安全且高效的认证方案,确保数据在通信过程中以不可篡改和不可否认的方式进行传输。随着数字签名研究的不断深入,基于不同密码体制的数字签名方案相继被提出。无证书数字签名(Certificateless Signature,CLS)的引入不仅避免了传统基于公钥基础设施的数字签名(Public Key Infrastructure-based Signature,PKI-based Signature)中证书管理所产生的昂贵开销,同时也解决了基于身份的数字签名(Identity-based Signature,ID-based Signature)中密钥托管问题所带来的潜在安全问题。因此,凭借其自身所拥有的优良特性,无证书数字签名具备重要的学术价值和广阔的应用前景。本文对无证书数字签名及其应用进行了细致的研究,取得了以下研究成果:(1)本文提出了一个单向多用的无证书代理重签名方案。该方案允许代理服务器利用重签名密钥将被委托者的原始签名或重签名单向转换为同一消息下委托者的签名。在转换过程中,代理服务器无法代替被委托者和委托者生成任意消息的合法签名。所提方案的不可伪造性依赖于扩展的计算性Diffie-Hellman困难性假设。与现有代理重签名方案相比,所提方案是高效且安全的。(2)本文提出了一个物联网环境下支持批量验证和无效签名查找的无证书签名方案。该方案允许验证者同时验证多个签名的真实性,并且能够在批量验证失败的情况下识别无效的签名。所提方案的不可伪造性依赖于椭圆曲线离散对数困难性假设。与现有支持批量验证的无证书签名方案相比,所提方案是高效且安全的。(3)本文提出了一个工业物联网环境下针对异构系统的隐私保护认证协议。该协议以异构代理重签名方案作为核心方案,在基于身份的密码系统和基于无证书的系统之间提供支持隐私保护的异构安全通信。所提方案的不可伪造性依赖于扩展的计算性Diffie-Hellman困难性假设。与现有方案相比,所提方案是高效且安全的。