慢雾：Ed25519 实现原理与可延展性问题

Ed25519 是一个基于椭圆曲线的数字签名算法，它高效，安全且应用广泛。TLS 1.3, SSH, Tor, ZCash, WhatsApp 和 Signal 中都使用了它。本文主要讲解以下几点：

1. 介绍一点群论知识，目的是让大家对 Ed25519 和其可延展性问题的原理有一种直觉。若想深入理解，还需参考其他资料；
2. 针对 rust 库 ed25519-dalek 的 1.0.1 版本讲解 ed25519 的实现；
3. 针对该库的延展性问题做出解释。

群的定义与性质

群论是抽象代数研究的内容，但抽象代数的一些思想是程序员非常熟悉的。面向对象中的继承就是一个很好的例子，我们都知道子类继承了父类后，就能使用父类中定义的方法。可以将抽象代数理解为对一个抽象的数据结构定义了一些性质，由这些性质推导出来的定理对于所有的子类都成立。

沿用刚刚的比喻，来看看群（group）这个数据结构是如何定义的。由此可以推出许多有意思的定理：举几个例子： 

被一笔带过的群论术语

拉格朗日定理

现在介绍一个非常有意思的定理，这个定理的推导在文末引用的视频中。“群的阶能被子群的阶整除。”为什么说这个定理有意思呢，不仅仅因为它的证明过程串起了刚刚介绍的许多知识，还因为下面的结论：

Ed25519 的实现

现在我们来讲 Ed25519，它是 EdDSA 算法的其中一种。EdDSA 有 11 个参数，这些参数的具体选择对于算法的安全和性能有很大的影响。另外，值得一提的是这套算法用到了一个叫 Curve25519的椭圆曲线。对于椭圆曲线，我们只需知道，它上边有很多很多点，这些点相加能得到新的点，新的点还是在曲线上。这些点和这个加法能形成一个群。注意这里的椭圆曲线加法是有特殊定义的。

我们约定如下记法：

这是个交互式的算法，但是没关系，有一个技巧叫做 the Fiat – Shamir heuristic，它可以把任意的交互式算法转化成非交互式的算法。最终我们会用非交互式算法。

数字签名算法都会给我们如下 API：

可延展性问题

密码学算法的实现和使用都有非常多要注意的地方。当我们说一个数字签名算法是安全的，一般指的是即使在攻击者能够获得任意消息的签名（Chosen Message Attack）的情况下，攻击者仍然不能伪造签名。Ed25519 满足这个性质，但不代表 Ed25519 是绝对安全的。在原始的论文中也提到，可延展性问题是可以接受的，且原始的算法就有这个问题。