区块链中的Ed25519

Posted 2021-12-10 mutourend

1. 引言

比特币和以太坊采用Secp256k1，NEO使用secp256r1，波卡、Cardano、NEAR 和 Solana 等使用Ed25519。

Ed25519相关代码实现有：

• https://github.com/dalek-cryptography/ed25519-dalek
• https://github.com/jpopesculian/ed25519-dalek-bip32
• https://github.com/jedisct1/rust-ed25519-compact
• https://github.com/w3f/hd-ed25519
• https://github.com/ZenGo-X/multi-party-eddsa
• https://github.com/ZcashFoundation/ed25519-zebra
• https://github.com/RustCrypto/signatures

详细可参看：Cryptography behind top 20 cryptocurrencies（统计于2019年4月）

Name	Type	Signing alg	Curve	Hash	Address encoding	Address hash
Bitcoin	UTXO	ECDSA	secp256k1	SHA-256	base58, bech32	SHA-256, RIPEMD-160
Ethereum	account	ECDSA	secp256k1	Keccak-256 *	none (just hex) *	last 20B of Keccak-256 *
XRP	account	ECDSA *	secp256k1 *	first half of SHA-512	base58 with different alphabet *	SHA-256, RIPEMD-160
Litecoin	UTXO	ECDSA	secp256k1	SHA-256 *	base58, bech32	SHA-256, RIPEMD-160
EOS	account	ECDSA	secp256k1	SHA-256	none *	none *
Bitcoin Cash	Same as Bitcoin *
Stellar	account	EdDSA	ed25519	SHA-256 and SHA-512 in EdDSA *	base32	none
Binance Coin	Ethereum ERC-20 token *
Tether	Bitcoin Omni layer / Ethereum ERC-20 token
TRON	account	ECDSA	secp256k1	SHA-256	base58	last 20 bytes of Keccak-256 *
Cardano	UTXO	EdDSA	ed25519	none and SHA-512 in EdDSA *	base58	none
Monero	UTXO *	it's complicated*	ed25519	Keccak-256 *	base58	Keccak-256 *
IOTA	UTXO	Winternitz one time signature scheme	-	Curl, Kerl *	none	Kerl
Dash	UTXO	ECDSA	secp256k1	SHA-256 *	base58	SHA-256, RIPEMD-160
Maker	Ethereum ERC-20 token
NEO	account	ECDSA	secp256r1	SHA-256	base58	SHA-256, RIPEMD-160
Ontology	account	ECDSA	nist256p1	3x SHA-256	base58	SHA-256, RIPEMD-160
Ethereum Classic	Same as Ethereum
NEM	account	EdDSA	ed25519	none and Keccak-256 in EdDSA *	base32	Keccak-256, RIPEMD-160
Zcash	UTXO	ECDSA, zk-SNARKs *	secp256k1, Jubjub *	SHA-256	base58, bech32	SHA-256, RIPEMD-160
Tezos	account	EdDSA, ECDSA *	ed25519, secp256k1, secp256r1	BLAKE2 and SHA-512 in EdDSA *	base58	BLAKE2

2. EdDSA签名机制

可参看：

• 维基百科 EdDSA
• ECDSA VS Schnorr signature VS BLS signature
• Extended twisted Edwards curve坐标系及相互转换
• Edwards-Curve Digital Signature Algorithm (EdDSA)

Edwards-curve Digital Signature Algorithm (EdDSA) 为Schnorr signature的变种，其基于的是twisted Edwards curves。
EdDSA可在不牺牲安全性的情况下，比现有的数字签名机制更快。

EdDSA机制中涉及的参数有：

• finite field ${\mathbb{F}}_q$，其中$q$为prime。
• 曲线$E$ over ${\mathbb{F}}_q$，该曲线的order为$n=\#E({\mathbb{F}}_q)=2^{c}l$，其中$l$为large prime，$2^c$为cofactor。
• 具有order $l$ 的base point $G\in E({\mathbb{F}}_q)$。
• hash函数$H$，其输出为$2b$ bits，其中$2^{b-1}>q$，使得${\mathbb{F}}_q$ elements 和 $E({\mathbb{F}}_q)$ curve points都可以$b$ bits string来表示。

EdDSA签名机制的安全性取决于以上参数的选择：

• Pollard’s rho algorithm for logarithms 解决discrete logarithm近似需要约$\sqrt{l\pi /4}$次curve addition运算。因此，要求$l$足够大，通常应大于$2^{200}$。对$l$的限制会影响$q$的选择，根据Hasse’s theorem：$\#E({\mathbb{F}}_q)=2^{c}l$ cannot differ from $q+1$ by more than $2\sqrt{q}$。
• 在分析EdDSA安全性时，hash函数$H$通常model为random oracle。

公私钥对$(pk,P)$，其中公钥$P=pk\times G$，椭圆曲线order为$n=2^c\cdot l$，$G$为所选椭圆曲线order 为$l$的base point。
EdDSA对消息$m$的签名过程为：

• 1）选择随机值$k{\in }_R[1,l-1]$
• 2）计算curve point $R=k\times G$
• 3）计算hash值 $e=H(R||P||m)$
• 4）计算$s=k+H(R||P||m)\cdot pk$

EdDSA的签名为$(R,s)$，其中$R$为point，$s$为scalar。

EdDSA的验签过程为：

• 验证 $[2^c\cdot s]\times G=[2^c\cdot k]\times G+[2^c\cdot H(R||P||m)\cdot pk]\times G=2^c\times R+[2^c\cdot H(R||P||m)]\times P$

EdDSA具有与Schnorr签名类似的线性特征，从而也支持batch validation和key aggregation。

3. Ed25519

Ed25519是EdDSA的实例化，采用的为Curve25519曲线，hash函数选择的为SHA-512，使得$b=256$。

4. ZCash中的Ed25519

由于ZCash要求所有节点对Ed25519达成共识，仍需额外处理 在RFC8032 中未提到的一些边缘情况：

具体的代码实现参见：

• https://github.com/ZcashFoundation/ed25519-zebra

在该代码实现中，VerificationKey对应为验签的公钥，SigningKey对应为签名的私钥。
在该代码库中，除实现了单个验签之外，还实现了batch验签。

参考资料

[1] Solana Issue BIP32
[2] Solana Vanity Address using GPUs
[3] Cryptography behind top 20 cryptocurrencies