XMSS: firma digitale stateful basata sulle hash

Introduzione

Lo schema XMSS (eXtended Merkle Signature Scheme) rappresenta una componente fondamentale nella costruzione di SPHINCS+, schema di firma post-quantum basato sulle funzioni di hash e selezionato nel processo di standardizzazione del NIST.

Considerato in modo a sé stante, XMSS è esso stesso uno schema di firma utilizzabile in particolari scenari applicativi e standardizzato dal NIST, insieme al simile LMS (Leighton-Micali Signature), nell’ambito delle firme digitali stateful. Nonostante XMSS presenti diverse caratteristiche competitive [1] anche nel contesto delle firme post-quantum, la natura stateful lo rende poco appetibile dal punto di vista pratico, in quanto richiede di tenere traccia di tutte le firme prodotte nel tempo con una stessa chiave privata per preservare la sicurezza promessa dallo schema.

Questa limitazione è superata dal suo inserimento all’interno di SPHINCS+.

XMSS

Elemento caratterizzante nella costruzione della firma XMSS è il coinvolgimento di particolari alberi binari, detti Merkle trees. Specificata una funzione di hash \text{H}, ciascun nodo del Merkle tree è ottenuto calcolando l’hash dei due nodi al livello inferiore [2] (chiamati figli del nodo risultante). Di conseguenza, il Merkle tree è interamente determinato dai nodi senza figli, detti foglie. Nel caso qui considerato, le foglie sono tutti e soli i nodi al livello più basso. Infine, il nodo in cima all’albero prende il nome di radice.

Di seguito, un esempio di Merkle tree con 8 foglie.

Nello schema di firma XMSS, la chiave privata è una stringa di bit, detta seme, a partire dal quale sono generate tante coppie di chiavi (ws_i, wp_i), relative a firme WOTS+, quante sono le foglie del Merkle tree. Le foglie dell’albero coincidono con le chiavi pubbliche wp_i mentre la radice risultante r è la chiave pubblica dello schema XMSS.

La firma XMSS di un messaggio M è composta dalla sua firma WOTS+ tramite una ws_i opportunamente scelta[3] e dal cosiddetto authentication path, ovvero l’insieme dei nodi necessari e sufficienti per calcolare, a partire dalla i-esima foglia, la radice dell’albero. Di seguito, è evidenziato in rosso l’authentication path relativo alla terza foglia.

In fase di verifica, il destinatario ricava un candidato per wp_i a partire dalla ricezione della firma WOTS+. Successivamente, la bontà di wp_i è accertata grazie all’authentication path, incluso nella firma, e alla radice, chiave pubblica dello schema. In particolare, a partire da wp_i e dall’authentication path, il destinatario calcola la radice del Merkle tree e verifica essere coincidente con quella nota.

HyperTrees

Il ricorso ai Merkle trees permette di considerare una chiave pubblica dello schema di dimensioni contenute, in quanto costituita solamente dalla radice dell’albero.

L’utilizzo di Merkle trees per la generazione e la verifica di firme comporta però alcune problematiche, soprattutto nel momento in cui si provano a soddisfare i requisiti stabiliti dal NIST relativamente al numero di firme che si devono poter realizzare con una singola chiave privata. Sarebbe infatti necessario un albero con un numero estremamente elevato di foglie (circa 2^{64}), rendendo impossibili entro tempistiche ragionevoli la costruzione e la trasmissione di un authentication path all’interno della firma digitale.

Per superare tali criticità, è utile introdurre una nuova costruzione denominata HyperTree, ossia un Merkle tree le cui foglie, che si ricorda corrispondere a chiavi pubbliche WOTS+, vengono utilizzate (con la rispettiva chiave privata) per firmare e validare le radici di altri alberi di livello inferiore. Si viene quindi a creare una gerarchia composta da diversi livelli di Merkle trees: ciascuna foglia di un albero intermedio firma la radice di un albero al livello inferiore, mentre le foglie degli alberi al livello più basso vengono utilizzate per firmare i messaggi.

Di seguito è rappresentato un HyperTree composto da tre livelli di alberi [4], in cui si può notare come il legame tra un livello e quello inferiore sia realizzato tramite una firma WOTS+.

Il ricorso ad un HyperTree permette quindi di ottenere una struttura con un numero estremamente elevato di foglie (come richiesto nei requisiti esplicitati dal NIST), senza però che questo richieda la gestione di un unico Merkle tree di dimensioni tali da inficiare l’utilizzabilità dell’algoritmo di firma digitale. L’introduzione dei livelli intermedi consente, infatti, di non dover esplorare tutti i rami della costruzione risultante per produrre un authentication path.

Nel caso di uno schema che fa uso di un HyperTree, la firma è composta dalle diverse firme WOTS+ presenti tra i differenti livelli di alberi, unite all’authentication path costituito dagli elementi necessari a ricavare le radici di tutti i Merkle trees fino a quella di livello più alto (rappresentati in nero nell’immagine precedente). La radice dell’albero di livello più alto nell’HyperTree rappresenta la chiave pubblica dello schema.

Nel corso degli ultimi anni sono stati proposti due nuovi algoritmi, denominati XMSS^MT e HSS, che sono il risultato dell’applicazione degli HyperTrees all’interno dei già citati XMSS e LMS. Il ricorso ad HyperTrees non è sufficiente però a superare la principale criticità che riguarda XMSS e LMS, ossia la necessità di mantenere uno stato per prevenire la realizzazione di due firme con la stessa chiave privata, che avrebbe conseguenze disastrose sulla sicurezza dello schema. Diventa quindi necessario ricorrere ad algoritmi di firma digitale che permettano di effettuare un numero limitato (ma maggiore di uno) di firme senza avere una degradazione della sicurezza. Tale famiglia di algoritmi prende il nome di Few Time Signatures (FTS): nel prossimo articolo della presente rubrica verrà descritta una FTS e si vedrà come questa si possa integrare con lo schema WOTS+ e con gli HyperTrees, formando così il nucleo fondamentale di SPHINCS+.

[1] Efficienza, dimensione parametri e semplicità di implementazione.
[2] Si osservi che la numerazione dei livelli è inversa rispetto a quella generalmente utilizzata negli alberi binari, in cui si procede dall’alto verso il basso.}
[3] L’unico requisito è che non sia già stata utilizzata per firmare precedenti messaggi.
[4] Immagine da “National Institute of Standards e Technology (NIST). FIPS 205 (Draft) – Stateless Hash-Based Digital Signature Standard. 2023.”

Questo articolo appartiene ad una serie di contributi, a cura del Gruppo di Ricerca in Crittografia di Telsy, dedicata al calcolo quantistico e alle sue implicazioni sulla Crittografia. Per la consultazione di altri articoli si rimanda all’indice della rubrica.

Per altri articoli relativi ai temi Quantum e Crittografia si rimanda alle relative categorie nel blog.

Gli autori

Francesco Stocco, laureato magistrale in Matematica presso l’Università degli Studi di Padova e l’Université de Bordeaux frequentando il percorso di studi “Algebra Geometry And Number Theory” (ALGANT), entrato a far parte del Gruppo di Ricerca in Crittografia di Telsy alla fine del 2020.

Marco Rinaudo, laureato triennale in Matematica presso l’Università degli Studi di Torino e laureato magistrale con specializzazione in Crittografia presso l’Università di Trento. In seguito ad uno stage curricolare svolto nel 2022 in Telsy, da gennaio 2023 è parte del Gruppo di Ricerca in Crittografia.