エドワーズ曲線デジタル署名アルゴリズム
エドワーズ曲線デジタル署名アルゴリズム (エドワーズきょくせんデジタルしょめいあるごりずむ、英語 : Edwards-curve Digital Signature Algorithm 、略称:EdDSA )は、公開鍵暗号 において、ツイステッドエドワーズ曲線 (英語版 ) に基づくシュノア署名 (英語版 ) の一種を用いたデジタル署名 の一つである。他のデジタル署名において見つかっている安全性に関する問題を回避した上で、高効率で暗号化処理が行われるように設計されている。エドワーズ曲線電子署名アルゴリズムは、ダニエル・バーンスタイン が率いるチームによって開発された 。
概要
EdDSAのアルゴリズムは以下のように表すことができる。簡単のため、整数や曲線上の点をどのようにビット列に符号化するかといった詳細は省略している。詳細については、引用文献やRFCを参照のこと。
EdDSA 方式は、次のパラメータを用いる。
F
q
{\displaystyle \mathbb {F} _{q}}
:奇素数のべきである
q
{\displaystyle q}
を位数として持つ有限体 。
E
(
F
q
)
{\displaystyle E(\mathbb {F} _{q})}
:
F
q
{\displaystyle \mathbb {F} _{q}}
上の楕円曲線 . ただし、位数は大きな素数
ℓ
{\displaystyle \ell }
と適当な自然数
c
{\displaystyle c}
によって
#
E
(
F
q
)
=
2
c
ℓ
{\displaystyle \#E(\mathbb {F} _{q})=2^{c}\ell }
で表せる必要がある。
2
c
{\displaystyle 2^{c}}
は cofactor と呼ばれる。
B
∈
E
(
F
q
)
{\displaystyle B\in E(\mathbb {F} _{q})}
:ベースポイント。位数が
ℓ
{\displaystyle \ell }
である楕円曲線上の点。
H
{\displaystyle H}
:出力が
2
b
{\displaystyle 2b}
ビットであるハッシュ関数 。ただし、
b
{\displaystyle b}
は
2
b
−
1
>
q
{\displaystyle 2^{b-1}>q}
を満たす整数。したがって、
F
q
{\displaystyle \mathbb {F} _{q}}
と楕円曲線
E
(
F
q
)
{\displaystyle E(\mathbb {F} _{q})}
上の点は、
b
{\displaystyle b}
ビットで表すことができる。
これらのパラメータは、EdDSA署名方式の全てのユーザが共通で使うことができる。ベースポイントの選択は任意だが、その他のパラメータの選択はEdDSA署名方式の安全性に大きく影響を与える。例えば、ポラード・ロー離散対数アルゴリズム を用いて離散対数を計算するのに必要な楕円加算回数はおよそ
ℓ
π
/
4
{\displaystyle {\sqrt {\ell \pi /4}}}
回である。したがって、このアルゴリズムで離散対数を解くことが事実上できないように
ℓ
{\displaystyle \ell }
は十分大きくなければならない。典型的には、
ℓ
{\displaystyle \ell }
は
2
200
{\displaystyle 2^{200}}
より大きい値を用いる。
ℓ
{\displaystyle \ell }
の選択は
q
{\displaystyle q}
の選択によって制限を受ける。Hasseの定理 により、位数
#
E
(
F
q
)
=
2
c
ℓ
{\displaystyle \#E(\mathbb {F} _{q})=2^{c}\ell }
は、
q
+
1
{\displaystyle q+1}
から
2
q
{\displaystyle 2{\sqrt {q}}}
以上離れることができないためである。ハッシュ関数
H
{\displaystyle H}
は、EdDSAの安全性解析においては通常ランダムオラクル と想定される。HashEdDSAという変種(variant)においては、
H
{\displaystyle H}
に加え、衝突耐性 (英語版 ) を持つハッシュ関数
H
′
{\displaystyle H'}
も必要である。
鍵生成、署名生成、署名検証の方法は以下の通りである。
∥
{\displaystyle \parallel }
はビット列の連結 を表す。
署名鍵
一様ランダムに選んだ
b
{\displaystyle b}
ビット列
k
{\displaystyle k}
。
公開鍵
署名鍵
k
{\displaystyle k}
から
s
=
H
0
,
…
,
b
−
1
(
k
)
{\displaystyle s=H_{0,\dots ,b-1}(k)}
(ハッシュ値の下位
b
{\displaystyle b}
ビット)を計算し、楕円曲線上の点
A
=
s
B
∈
E
(
F
q
)
{\displaystyle A=sB\in E(\mathbb {F} _{q})}
を公開鍵とする。
b
{\displaystyle b}
ビット列で表される。
署名
メッセージ
M
{\displaystyle M}
に対する署名は、楕円曲線上の点
R
{\displaystyle R}
と
ℓ
{\displaystyle \ell }
未満の正整数
S
{\displaystyle S}
のペア
(
R
,
S
)
{\displaystyle (R,S)}
で表される。(共に
b
{\displaystyle b}
ビットで表せるため、署名長は
2
b
{\displaystyle 2b}
ビット。)これを得るためには、まず署名鍵
k
{\displaystyle k}
から
k
′
=
H
b
,
…
,
2
b
−
1
(
k
)
{\displaystyle k'=H_{b,\dots ,2b-1}(k)}
(ハッシュ値の上位
b
{\displaystyle b}
ビット)を計算し、
r
=
H
(
k
′
∥
M
)
{\displaystyle r=H(k'\parallel M)}
を計算する。これを用いて以下を計算する。
R
=
r
B
{\displaystyle R=rB}
S
=
r
+
H
(
R
∥
A
∥
M
)
s
mod
ℓ
{\displaystyle S=r+H(R\parallel A\parallel M)s{\bmod {\ell }}}
署名の検証
次の式が成り立つことを確認する。
2
c
S
B
=
2
c
R
+
2
c
H
(
R
∥
A
∥
M
)
A
{\displaystyle 2^{c}SB=2^{c}R+2^{c}H(R\parallel A\parallel M)A}
署名の生成方法と、位数が
ℓ
2
c
{\displaystyle \ell 2^{c}}
であることから、正しく作られた署名は必ず検証を通る。すなわち:
2
c
S
B
=
2
c
(
r
+
H
(
R
∥
A
∥
M
)
s
)
B
=
2
c
r
B
+
2
c
H
(
R
∥
A
∥
M
)
s
B
=
2
c
R
+
2
c
H
(
R
∥
A
∥
M
)
A
.
{\displaystyle {\begin{aligned}2^{c}SB&=2^{c}(r+H(R\parallel A\parallel M)s)B\\&=2^{c}rB+2^{c}H(R\parallel A\parallel M)sB\\&=2^{c}R+2^{c}H(R\parallel A\parallel M)A.\end{aligned}}}
Ed448
Ed448 は、エドワーズ曲線デジタル署名の実装の一つであり、ハッシュ関数としてSHAKE256 を使い、曲線としてCurve448 を用いている。Ed25519と同様に、RFC 8032 に定義され、FIPS 186-5の草稿において推奨されている。
脚注
1 2 Josefsson, S.; Liusvaara, I. (January 2017). Edwards-Curve Digital Signature Algorithm (EdDSA) (英語). Internet Engineering Task Force . doi :10.17487/RFC8032 . ISSN 2070-1721 . RFC 8032 . 2017年7月31日閲覧 .
1 2 3 Bernstein, Daniel J. ; Duif, Niels; Lange, Tanja; Schwabe, Peter; Bo-Yin Yang (2011-09-26) (PDF). High-speed high-security signatures . https://ed25519.cr.yp.to/ed25519-20110926.pdf .
↑ Daniel J. Bernstein; Simon Josefsson; Tanja Lange; Peter Schwabe; Bo-Yin Yang (2015年7月4日). EdDSA for more curves (PDF) (Technical report). 2016年11月14日閲覧 .
↑ Daniel J. Bernstein; Tanja Lange; Peter Schwabe (2011年1月1日). On the correct use of the negation map in the Pollard rho method (Technical report). IACR Cryptology ePrint Archive. 2011/003. 2016年11月14日閲覧 .
↑ Daniel J. Bernstein. “ECDLP Security: Rho ”. 2016年11月16日閲覧。
↑ Bernstein, Daniel J. ; Lange, Tanja (2007). Faster addition and doubling on elliptic curves . pp. 29–50. https://eprint.iacr.org/2007/286 .
↑ Daniel J. Bernstein (2017年1月22日). “Ed25519: high-speed high-security signatures ”. 2019年9月27日閲覧。 “This system has a 2^128 security target; breaking it has similar difficulty to breaking NIST P-256, RSA with ~3000-bit keys, strong 128-bit block ciphers, etc.”
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↑ “27th Chaos Communication Congress: Console Hacking 2010: PS3 Epic Fail ”. 2019年8月4日閲覧。
1 2 “FIPS 186-5 (Draft): Digital Signature Standard (DSS) ”. NIST (2019年10月). doi :10.6028/NIST.FIPS.186-5-draft . 2019年10月31日時点のオリジナル よりアーカイブ。2022年8月3日閲覧。
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↑ “wolfSSL Embedded SSL/TLS Library | wolfSSL Products” . wolfSSL . 2018年11月12日閲覧 .
↑ https://web.archive.org/web/20180518200747/https://www.openssl.org/news/cl111.txt