Schnorr-Signatur

Die Schnorr-Signatur ist ein 1989/1991 vom deutschen Mathematikprofessor Claus Peter Schnorr entworfenes kryptographisches Schema für digitale Signaturen. Es leitet sich aus der Schnorr-Identifikation ab, indem wie bei der Fiat-Shamir-Identifikation die Interaktion durch den Einsatz einer kryptographischen Hashfunktion ersetzt wird. Die Sicherheit beruht auf der Komplexität des Diskreten Logarithmus in endlichen Gruppen.

Das Verfahren ist von Schnorr patentiert,[1][2] die Schutzfrist ist inzwischen jedoch abgelaufen. Es ist exklusiv an RSA lizenziert (Siemens hat aber eine nicht-exklusive Lizenz). Schnorr warf im Rahmen der Standardisierung IEEE P1363 der NIST vor, mit dem von ihr entwickelten Signatur-Verfahren Digital Signature Algorithm, kurz DSA, sein Patent zu verletzen.[3]

Parameter

Systemweite Parameter

Alle Benutzer können diese Parameter gemeinsam nutzen:

• Eine Gruppe ${\displaystyle G}$ primer Ordnung ${\displaystyle q=|G|}$. Diese ist zyklisch, sei ${\displaystyle g}$ ein Generator
• Eine kryptografische Hash-Funktion ${\displaystyle H}$ mit Wertebereich ${\displaystyle [0,q-1]}$.

Schnorr schlägt vor, eine Untergruppe ${\displaystyle G}$ von ${\displaystyle Z_{p}^{*}}$ für ein primes ${\displaystyle p}$ zu wählen. Er argumentiert, dass Schlüssel- und Signaturlängen sich auf ${\displaystyle |G|}$ beziehen, das Sicherheitsniveau sich hingegen am größeren ${\displaystyle |Z_{p}^{*}|}$ orientiert.

Privater Schlüssel

Der private Schlüssel besteht aus einer zufällig gewählten Zahl:

• ${\displaystyle x}$ mit ${\displaystyle 0<x<q}$

Öffentlicher Schlüssel

Der öffentliche Schlüssel ist das ${\displaystyle x}$ entsprechende Gruppenelement ${\displaystyle y}$:

• ${\displaystyle y=g^{x}}$

Unterschreiben

Um eine Nachricht ${\displaystyle m}$ zu unterschreiben, wird folgendermaßen verfahren:

1. Wähle ${\displaystyle k}$ zufällig mit ${\displaystyle 0<k<q}$.
2. Setze ${\displaystyle r:=g^{k}}$
3. Setze ${\displaystyle e:=H(r||m)}$. Dabei ist ${\displaystyle ||}$ die Konkatenation.
4. Setze ${\displaystyle s:=(k+xe){\bmod {q}}}$.

Die Unterschrift der Nachricht ist das Tupel ${\displaystyle (e,s)}$ oder ${\displaystyle (r,s)}$.

Für elliptische Kurven formuliert

Wir betrachten eine elliptische Kurve über GF(p). Der Generator G ist ein Punkt auf der Kurve und es sei ${\displaystyle Y=x\cdot G}$.

1. Wähle ${\displaystyle k}$ zufällig mit ${\displaystyle 0<k<p}$.
2. Setze ${\displaystyle R:=k\cdot G}$
3. Setze ${\displaystyle e:=H(R_{x}||m)}$. Dabei ist ${\displaystyle ||}$ die Konkatenation und ${\displaystyle R_{x}}$ die ${\displaystyle x}$-Koordinate des Punktes ${\displaystyle R}$.
4. Setze ${\displaystyle s:=(k+xe){\bmod {q}}}$. Falls die Bitlänge von ${\displaystyle e}$ größer als die Bitlänge von ${\displaystyle q}$ ist, werden vor der Berechnung von ${\displaystyle s}$ die überzähligen (rechten) Bits von ${\displaystyle e}$ gestrichen.

Die Unterschrift der Nachricht ${\displaystyle m}$ ist das Tupel ${\displaystyle (e,s)}$ oder ${\displaystyle (R,s)}$.

Verifizieren

Um eine Unterschrift ${\displaystyle (e,s)}$ einer Nachricht ${\displaystyle m}$ zu verifizieren, wird folgendermaßen verfahren:

1. Setze ${\displaystyle r_{v}:=g^{s}\cdot y^{-e}}$
2. Setze ${\displaystyle e_{v}:=H(r_{v}||m)}$
3. Akzeptiere die Unterschrift genau dann, wenn ${\displaystyle e_{v}=e}$ ist.

Wenn die Unterschrift im Format ${\displaystyle (r,s)}$ ist kann es wie folgt verifiziert werden:

${\displaystyle g^{s}=r\cdot y^{-H(r||m)}}$

Mit elliptischer Kurve

1. Berechne ${\displaystyle R=(s\cdot G)-(e\cdot Y)}$
2. Setze ${\displaystyle e_{v}:=H(R_{x}||m)}$
3. Akzeptiere die Unterschrift genau dann, wenn ${\displaystyle e_{v}=e}$ ist.

Wenn die Unterschrift im Format ${\displaystyle (R,s)}$ ist kann es wie folgt verifiziert werden:

${\displaystyle s\cdot G=R+H((R_{x}||m)\cdot Y}$

Multi-Signatur

Mit Schnorr-Signaturen ist es möglich, eine Nachricht mit mehreren Schlüsseln in einer Signatur zu unterschreiben.

Ein-Partei-Signaturen

1. Der Unterschreiber ist im Besitz von mehreren privaten Schlüsseln ${\displaystyle x_{i}}$, womit auch mehrere öffentliche Schlüssel ${\displaystyle y_{i}}$ existieren
2. Der Unterschreiber berechnet ${\displaystyle s:=(k+x_{1}\cdot e+x_{2}\cdot e+x_{3}\cdot e+\dotsb )}$
3. Beim Verifizieren ist ${\displaystyle r_{v}:=g^{s}\cdot y_{1}^{-e}\cdot y_{2}^{-e}\cdot y_{3}^{-e}\cdot \ldots }$

Batch verification

Wenn mit ${\displaystyle (r,s)}$ unterschrieben wird, so ist es möglich, Signaturen und öffentliche Schlüssel zusammen zu rechnen.

${\displaystyle s:=s_{1}+s_{2}+s_{3}+\dotsb }$

${\displaystyle r:=r_{1}\cdot r_{2}\cdot r_{3}\cdot \ldots }$

${\displaystyle y:=y_{1}\cdot y_{2}\cdot y_{3}\cdot \ldots }$

Dies kann verwendet werden, um mehrere Signaturen gleichzeitig zu verifizieren. Das könnte in der Bitcoin-Blockchain verwendet werden, damit nicht alle Nodes alle Transaktionen validieren müssen.[4]

Rogue key attack

Man sollte ${\displaystyle y}$ nicht als Signatur vertrauen, da nicht erkennbar ist, ob es die Summe der öffentlichen Schlüssel ist oder nur der öffentliche Schlüssel einer Partei.

Bellare-Neven-Verfahren

Eine Lösung ist, dass jede Partei den Hash aller öffentlichen Schlüssel mit-unterschreibt.

1. ${\displaystyle L:=H(y_{1}||y_{2}||y_{3}||\dotsb )}$
2. ${\displaystyle r}$ bleibt das Produkt der einzelnen noncen: ${\displaystyle r:=r_{1}\cdot r_{2}\cdot r_{3}\cdot \ldots }$
3. ${\displaystyle s_{i}}$ ist eine partielle Signatur die jeder für sich berechnet ${\displaystyle s_{i}:=k_{i}+x\cdot H(L,y_{i},r,m)}$
4. die danach zusammen addiert werden: ${\displaystyle s:=s_{1}+s_{2}+s_{3}+\dotsb }$

Mit ${\displaystyle g^{s}=r\cdot y_{1}^{-H(L,y_{1},r,m)}\cdot y_{2}^{-H(L,y_{2},r,m)}\cdot y_{3}^{-H(L,y_{3},r,m)}\cdot \ldots }$ kann man es verifizieren.[5]

MuSig

1. ${\displaystyle L:=H(y_{1}||y_{2}||y_{3}||\dotsb )}$
2. ${\displaystyle a_{i}:=H(L||y_{i})}$
3. ${\displaystyle y:=y_{1}^{a_{1}}\cdot y_{2}^{a_{2}}\cdot y_{3}^{a_{3}}\cdot \ldots }$ sodass: ${\displaystyle y:=g^{x_{1}+a_{1}+x_{2}+a_{2}+x_{3}+a_{3}+\dotsb }}$
4. ${\displaystyle r:=r_{1}\cdot r_{2}\cdot r_{3}\cdot \ldots }$ sodass: ${\displaystyle r:=g^{k_{1}+k_{2}+k_{3}+\dotsb }}$ Man sollte ${\displaystyle r_{i}}$ erst mit den anderen Parteien teilen wenn man ein Commitment auf deren ${\displaystyle r_{i}}$ erhalten hat.
5. ${\displaystyle c:=H(y||r||m)}$
6. ${\displaystyle s_{i}:=r_{i}+ca_{i}x_{i}}$
7. ${\displaystyle s:=s_{1}+s_{2}+s_{3}+\dotsb }$

Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass nur die involvierten Parteien die einzelnen öffentlichen Schlüssel kennen müssen. Ein Außenstehender kann mit dem kombinierten öffentlichen Schlüssel bestätigen, dass es sich um eine valide Signatur handelt. Besonders bei Blockchain-Anwendungen, in denen Privatsphäre wertvoll und Speicherplatz knapp ist, könnte das Schnorr-Verfahren, am Beispiel der Bitcoin-Blockchain bis zu 25 % Speicherplatz einsparen.[6][7][8]

Sicherheitsdiskussion (informell)

Der Wert xe und damit auch der Wert x wird durch die Zufallszahl k sicher verschlüsselt (One-Time-Pad). Die Sicherheit ist daher unter bestimmten Voraussetzungen über die verwendeten Zufallszahlen (k) und der Hashfunktion (Random-Oracle-Modell) auf die Komplexität des Diskreten Logarithmus in der verwendeten Gruppe beweisbar zu reduzieren, das heißt: Wer das Schnorr-Signatur-Schema berechnen kann, kann auch den Diskreten Logarithmus berechnen.[9] Es ist kein Verfahren bekannt, mit dem sich der Diskrete Logarithmus in multiplikativen Gruppen von endlichen Körpern mit heutigen Computern effizient berechnen lässt. Diese beweisbare Reduktion auf bekannte, als schwierig eingestufte Probleme ist typisch für Sicherheitsbeweise bei kryptographischen Systemen mit öffentlichen Schlüsseln.

Im Random-Oracle-Modell nimmt man an, die Hashfunktion verhalte sich wie eine zufällige Funktion und ein Angreifer kann die Funktionswerte nur über ein Orakel für die Funktionswerte berechnen. Mit Hilfe eines Widerspruchsbeweises zeigt man nun die Korrektheit des Verfahrens: Angenommen, es gäbe einen erfolgreichen Unterschriftenfälscher für das Signaturverfahren. Dieses kann man nutzen, um aus dem öffentlichen Schlüssel ${\displaystyle y=g^{x}}$ den geheimen Schlüssel ${\displaystyle x}$ zu bestimmen, also den Diskreten Logarithmus ${\displaystyle x}$ von ${\displaystyle y}$ zu berechnen – im Widerspruch zur Annahme, der Diskrete Logarithmus sei schwierig.

1. Simuliere den Algorithmus zum Unterschreiben einer Nachricht ${\displaystyle m}$, speichere Zustand beim Aufruf des Orakels, um ${\displaystyle e_{1}=H(m||r)}$ zu berechnen.
2. Wiederhole die Simulation am gespeicherten Zustand, gib allerdings ein anderes ${\displaystyle e_{2}=H(m||r)}$ zurück (Dies geht im Random-Oracle-Modell).
3. Seien ${\displaystyle s_{1}}$ und ${\displaystyle s_{2}}$ die beiden (verschiedenen) Unterschriften zur gleichen Nachricht ${\displaystyle m}$ und gleichem Zufallswert ${\displaystyle k}$ bzw. ${\displaystyle r}$.
4. Es gilt ${\displaystyle s_{1}-s_{2}=(k+xe_{1})-(k+xe_{2})=x(e_{1}-e_{2})\mod q}$, also ${\displaystyle x=(s_{1}-s_{2})/(e_{1}-e_{2})\mod q}$.

Die Division durch ${\displaystyle e_{1}-e_{2}}$ ist möglich: Da ${\displaystyle q}$ prim ist, existiert zu jeder Zahl ungleich 0 auch ein Inverses modulo ${\displaystyle q}$.

Anforderung an die Zufallszahlen

Aus den obigen Ausführungen folgt, dass sich die Zufallszahlen k, die zur Berechnung der Signatur verwendet werden, keinesfalls wiederholen dürfen. Würde eine Zufallszahl zur Signatur zweier unterschiedlicher Nachrichten verwendet, könnte der private Schlüssel x aus öffentlich bekannten Werten berechnet werden. Damit könnten dann Signaturen von einem Angreifer gefälscht werden. Weiterhin dürfen die Zufallszahlen für den Angreifer nicht berechenbar sein, da er sonst x berechnen könnte.

Literatur

• Claus Peter Schnorr: Efficient Signature Generation by Smart Cards. Journal of Cryptology, Vol. 4, 1991, S. 161–174.
• Bruce Schneier: Angewandte Kryptographie. Addison-Wesley 1996, ISBN 3-89319-854-7, S. 583.

Weblinks

• Claus Peter Schnorr, Vorlesung Kryptographie I/II, Kapitel 1.7, online (PDF, 454 kB)

Einzelnachweise

1. Patent EP0384475: Angemeldet am 22. Februar 1990.
2. Patent US4995082: Angemeldet am 23. Februar 1990.
3. IEEE P1363 Patent Reply from Prof. Dr. Claus Peter Schnorr. (Nicht mehr online verfügbar.) Archiviert vom Original am 13. Oktober 2016; abgerufen am 25. Januar 2018.  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.
4. Github: BIP-340. Abgerufen am 15. März 2020.
5. UCSD: Paper. Abgerufen am 15. März 2020.
6. Sam Wouters: Why Schnorr signatures will help solve 2 of Bitcoin’s biggest problems today, 4. Juli 2017. Abgerufen am 30. Dezember 2017.
7. Blockstream: Schnorr Multisig. Abgerufen am 15. März 2020.
8. iarc: Multi-Signatures with Applications to Bitcoin. Abgerufen am 15. März 2020.
9. David Pointcheval, Jacques Stern: Security arguments for digital signatures and blind signatures. Journal of Cryptology, 13 (3), 2000, S. 361–396.