<div><div>Just a quick question: Not reusing keys requires no security proofs at all. Is there really a benefit that justifies key reuse? (I suppose that if you really need a verifiable PoP of a Curve25519 key...)</div><div>
<br></div>I, personally, am rather uncomfortable with Gap-DH. Especially when CDH is what you're giving up.</div><div><br><div>(And as a note to folks who may not be aware, I believe that Adam Langley has implemented  this: <a href="https://github.com/agl/ed25519/tree/master/extra25519">https://github.com/agl/ed25519/tree/master/extra25519</a>)</div>
</div><div><br></div>On Monday, June 16, 2014, Trevor Perrin <<a href="mailto:trevp@trevp.net">trevp@trevp.net</a>> wrote:<br><blockquote class="gmail_quote" style="margin:0 0 0 .8ex;border-left:1px #ccc solid;padding-left:1ex">
Hi,<br>
<br>
I'm wondering about using Curve25519 keys to create and verify Ed25519<br>
signatures.  For example, imagine you have existing Curve25519<br>
long-term keys being used for a DH protocol, and you'd like to sign<br>
with these keys.<br>
<br>
Below is an attempt to provide security analysis, and work out the details.<br>
<br>
I've run parts of this by a few people (Mike Hamburg, Robert Ransom,<br>
CodesInChaos).  I try to credit them where appropriate, but that<br>
doesn't imply they endorse all of this.<br>
<br>
<br>
Joint security of signatures and DH<br>
----<br>
Schnorr signatures (like Ed25519) have a security proof in the Random<br>
Oracle Model based on the (Elliptic Curve ) Discrete Log assumption<br>
[1].<br>
<br>
Many DH protocols have security proofs in a model where the attacker<br>
has access to a "Decision Diffie-Hellman" oracle.   Often the attacker<br>
can choose an arbitrary public key, cause a targeted key to perform a<br>
DH operation with the chosen public key, and then "reveal" the hashed<br>
output.   By hashing different inputs and seeing if the result equals<br>
the revealed value, the attacker gains a DDH oracle involving the<br>
targeted key and her chosen key.   These protocols can often be proven<br>
secure in the Random Oracle Model based on the "Gap-DH" assumption:<br>
i.e. the assumption that the Computational DH problem is hard even<br>
when given a DDH oracle.  Protocols that can be proven secure in such<br>
a model include ECIES [2], NAXOS [3], Ntor [4], Kudla-Paterson [5],<br>
HOMQV [6], and others.<br>
<br>
As in [7] section 4.4, it seems fairly easy to argue for "joint<br>
security" when the same key is used for Schnorr signatures and for a<br>
protocol with a Gap-DH/ROM security proof, provided the hash function<br>
is used carefully so that RO queries for the signature can be<br>
distinguished from RO queries for the DH-protocol.<br>
<br>
In particular:<br>
 - Giving the DH-protocol adversary a signing oracle doesn't help it,<br>
as the signing oracle can be simulated in the ROM without knowledge of<br>
the secret key [1,7].<br>
 - Giving the signature adversary access to parties running the<br>
DH-protocol (e.g. an eCK experiment [3] where the secret key is held<br>
by an honest party) doesn't help if the protocol can be simulated<br>
without knowledge of the secret key but with a DDH oracle.  If the<br>
signature adversary + simulator could use the DDH oracle to break the<br>
DL problem, then the Gap-DH assumption would be violated [7].<br>
<br>
So in principle this seems secure, do people agree?<br>
<br>
<br>
Public-key conversion<br>
----<br>
A Curve25519 public-key is encoded as a 255-bit x-coordinate.  An<br>
Ed25519 public-key is encoded as a 255-bit y-coordinate, plus a "sign"<br>
bit.<br>
<br>
For a "unified" public-key format, I think it makes sense to stick<br>
with Curve25519:<br>
 - Curve25519 has seen more deployment than Ed25519, so existing<br>
public-keys are more likely to use the Curve25519 format.<br>
 - The sign bit isn't strictly necessary, since it can be assumed to<br>
be zero, and the private key can be adjusted to match (see below).<br>
 - The Curve25519 format is more efficient for DH since it can be used<br>
directly with the Montgomery ladder.  For signature verification, the<br>
conversion from Curve25519 format to an Ed25519 point can be combined<br>
with decompression, so using Curve25519 public keys to verify Ed25519<br>
signatures can be almost as fast for verification as Ed25519 public<br>
keys (according to Mike Hamburg).<br>
 - If code simplicity is more of a concern than speed, it's easy to<br>
convert the curve25519 x-coordinate into an ed25519 y-coordinate by<br>
ed_y = (curve_x - 1) / (curve_x + 1) mod 2^255-19 (page 8 of [8], hat<br>
tip Robert Ransom).  The inversion takes perhaps 10-20% (?) of the<br>
time for a variable-base scalar mult.  The y-coordinate can then be<br>
encoded along with a sign bit of 0, allowing existing Ed25519 code to<br>
be used.<br>
<br>
<br>
Private-key conversion<br>
----<br>
If the Ed25519 public-key sign-bit is assumed to be zero, the private<br>
key may need to be adjusted (per Jivsov [9]).  In other words, if<br>
multiplying the Curve25519 private key by the Ed25519 base point<br>
yields an Ed25519 x-coordinate that's "negative" as defined in [8],<br>
the private key (a) must be negated modulo the order of the base point<br>
(q), i.e. a = q - a.<br>
<br>
Some existing curve25519 implementations set bit 254 of the private<br>
key within the scalarmult function, so will interfere with this<br>
negation (observation due CodesInChaos).   Robert Ransom proposed<br>
another way to implement the negation that avoids having to modify<br>
that code:<br>
 - Before hashing, flip the sign bit of R<br>
 - Before hashing, encode the sign bit of A as zero<br>
 - As the last step, negate S, i.e. S = q - S<br>
<br>
Jivsov argues that fixing the sign bit doesn't lose security, even<br>
against Pollard rho (anyone care to double-check the argument? - [9]<br>
section 8).  A side-channel that leaks only whether this negation was<br>
performed (or not) only reveals the sign bit of the original private<br>
key, so I think also doesn't reduce security.<br>
<br>
<br>
Hash inputs<br>
----<br>
Ed25519 calculates SHA512(R || A || M), where:<br>
 - R is an Ed25519-encoded Schnorr commitment  (= nonce *  base point)<br>
 - A is an Ed25519-encoded public key<br>
 - M is the message to sign<br>
<br>
The key-derivation in the DH protocol must hash distinct inputs for<br>
the ROM security argument to hold.  CodesInChaos suggested beginning<br>
the key-derivation hash with 32 bytes of 0xFF, as this is an invalid<br>
Ed25519 point.<br>
<br>
<br>
Signature nonce<br>
----<br>
In the original Ed25519 implementation [8], a single master key is<br>
used to derive both (a) the Ed25519 private scalar and (b) a secret<br>
key for nonce generation.  Without such a master key, either<br>
 - the nonce-generation key would have to be explicitly generated and stored<br>
 - the nonce would have to be taken from a (strong!) RNG<br>
 - the private scalar would have to be used as the nonce-generation key<br>
<br>
All of these seem adequate.  Not sure which is best?<br>
<br>
Anyways, what else have I missed?<br>
<br>
<br>
Trevor<br>
<br>
<br>
[1] <a href="http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/summary?doi=10.1.1.11.8213" target="_blank">http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/summary?doi=10.1.1.11.8213</a><br>
[2] <a href="http://www.cs.ucdavis.edu/~rogaway/papers/dhies.pdf" target="_blank">http://www.cs.ucdavis.edu/~rogaway/papers/dhies.pdf</a><br>
[3] <a href="http://research.microsoft.com/pubs/81673/strongake-submitted.pdf" target="_blank">http://research.microsoft.com/pubs/81673/strongake-submitted.pdf</a><br>
[4] <a href="http://cacr.uwaterloo.ca/techreports/2011/cacr2011-11.pdf" target="_blank">http://cacr.uwaterloo.ca/techreports/2011/cacr2011-11.pdf</a><br>
[5] <a href="http://www.isg.rhul.ac.uk/~kp/ModularProofs.pdf" target="_blank">http://www.isg.rhul.ac.uk/~kp/ModularProofs.pdf</a><br>
[6] <a href="http://eprint.iacr.org/2010/638" target="_blank">http://eprint.iacr.org/2010/638</a><br>
[7] <a href="http://eprint.iacr.org/2011/615" target="_blank">http://eprint.iacr.org/2011/615</a><br>
[8] <a href="http://ed25519.cr.yp.to/ed25519-20110926.pdf" target="_blank">http://ed25519.cr.yp.to/ed25519-20110926.pdf</a><br>
[9] <a href="https://datatracker.ietf.org/doc/draft-jivsov-ecc-compact/?include_text=1" target="_blank">https://datatracker.ietf.org/doc/draft-jivsov-ecc-compact/?include_text=1</a><br>
_______________________________________________<br>
Curves mailing list<br>
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