Ed25519：现代数字签名算法的原理与应用（附 Rust 实现）

请务必阅读此小章关于密码学

1. 什么是 Ed25519？

Ed25519 是一种基于 Edwards-curve Digital Signature Algorithm (EdDSA) 的高效签名方案，使用 Curve25519 椭圆曲线。其特点包括：

  • 128 位安全性（抗量子计算暴力破解）。
  • 确定性签名：无需随机数生成器，避免 ECDSA 的随机数重用风险。
  • 64 字节签名：紧凑且易于处理。
  • 高性能：比 RSA 和传统 ECDSA 更快。

2. 核心原理

密钥生成

  • 私钥：32 字节随机种子（通常来自 CSPRNG）。
  • 公钥：通过私钥计算 A = d * B，其中 B 是曲线基点，d 是私钥哈希。

签名

  1. 计算 r = Hash(私钥 + 消息)。
  2. 生成临时点 R = r * B。
  3. 计算 s = (r + Hash(R || A || 消息) * d) mod L。
  4. 输出 (R, s)（共 64 字节）。

验证

检查：
s * B == R + Hash(R || A || 消息) * A。

3. Rust 实现示例

以下代码演示如何在 Rust 中使用 Ed25519 为代币交易签名。

步骤 1：添加依赖

# Cargo.toml
[dependencies]
ed25519-dalek = { version = "2.0.0", features = ["rand_core"] }
rand_core = { version = "0.6.4", features = ["getrandom"] }

步骤 2：生成密钥对

#![allow(unused)]
fn main() {
use ed25519_dalek::{Keypair, Signer, Verifier, Signature};
use rand_core::OsRng;

fn generate_keypair() -> Keypair {
    // 从安全随机源生成密钥对
    let mut csprng = OsRng;
    Keypair::generate(&mut csprng)
}
}

步骤 3：签名与验证

#![allow(unused)]
fn main() {
fn sign_and_verify() {
    // 1. 生成密钥对
    let keypair = generate_keypair();
    let public_key = keypair.public();

    // 2. 签名一条消息（例如代币交易）
    let message = b"Transfer 100 tokens to Alice";
    let signature: Signature = keypair.sign(message);

    // 3. 验证签名
    match public_key.verify(message, &signature) {
        Ok(_) => println!("Signature is valid!"),
        Err(_) => println!("Signature is invalid!"),
    }
}
}

步骤 4：完整代币交易示例

struct TokenTransaction {
    sender: String,
    receiver: String,
    amount: u64,
}

impl TokenTransaction {
    fn sign(&self, keypair: &Keypair) -> Signature {
        let message = serde_json::to_vec(self).unwrap();
        keypair.sign(&message)
    }

    fn verify(&self, signature: &Signature, public_key: &PublicKey) -> bool {
        let message = serde_json::to_vec(self).unwrap();
        public_key.verify(&message, signature).is_ok()
    }
}

fn main() {
    let keypair = generate_keypair();
    let transaction = TokenTransaction {
        sender: "Bob".to_string(),
        receiver: "Alice".to_string(),
        amount: 100,
    };

    // 签名交易
    let signature = transaction.sign(&keypair);

    // 验证交易
    let is_valid = transaction.verify(&signature, &keypair.public_key());
    println!("Transaction valid? {}", is_valid);
}

4. 为什么选择 Ed25519？

  1. 安全性
    • 无随机数风险（对比 ECDSA）。
    • 抗侧信道攻击（恒定时间操作）。
  2. 性能
    • 签名速度比 RSA-2048 快约 10 倍。
    • 签名验证速度极快。
  3. 标准化
    • 被 IETF (RFC 8032)、OpenSSH、Solana 等广泛采用。

5. 注意事项

  • 私钥管理：必须安全存储种子（32 字节）。
  • 库的选择：优先使用审计过的库（如 ed25519-dalek）。
  • 不要自行实现密码学：直接使用标准库。