椭圆曲线算法实现

‘壹’ 如何通过哈希函数和椭圆曲线密码算法实现数字签名

RSA的安全性主要取决于构造其加密算法的数学函数的求逆的困难性,这同大多数公钥密码系统一样(例如ElGamal算法就是基于离散对数问题的困难性,我们称这样的函数为单向函数.单向函数不能直接用作密码体制,因为如果用单向函数对明文进行加密,即使是合法的接收者也不能还原出明文,因为单向函数的逆运算是困难的.与密码体制关系更为密切的陷门单向函数,即函数及其逆函数的计算都存在有效的算法,而且可以将计算函数的方法公开.单向和陷门单向函数的概念是公钥密码学的核心,它对公钥密码系统的构造非常重要,甚至可以说公钥密码体制的设计就是陷门单向函数的设计.
ECDSA算法将DsA运用在椭圆曲线方程上,将安全性的基础由求取有限域上
离散对数的困难性变成了在椭圆曲线群上计算离散对数的困难性,安全性基础改
变,使得在同等安全程度下使用的密钥长度变短,仅仅使用192位长的密钥就可
以保证安全性了,而DSA算法需要1024位长的密钥才能保证足够的安全性.改进
后的ECDSA算法提高了算法实现的效率.

‘贰’ 椭圆曲线加密算法原理

椭圆曲线加密算法，简称ECC，是基于椭圆曲线数学理论实现的一种非对称加密毁核算法。

相比RSA，ECC优势是可以使用更短的密钥，来实现与RSA相当或更高的安全，RSA加密算法也是纯扰一种非对称加密算法，在公开密钥加密和电子商业中RSA被广泛使用。据研究，160位ECC加密安全性相当于1024位RSA加密，210位ECC加密安全性相当于2048位做余旦RSA加密（有待考证）。

椭圆曲线也可以有运算，像实数的加减乘除一样，这就需要使用到加群。19世纪挪威的尼尔斯·阿贝尔抽象出了加群（又叫阿贝尔群或交换群）。数学中的群是一个集合，我们为它定义了一个“加法”，并用符号+表示。假定群用 表示，则加法必须遵循以下四个特性：

• 封闭性：如果a和b都是 的成员，那么a+b也是 的成员；

• 结合律：(a + b) + c = a + (b + c);

• 单位元：a+0=0+a=a，0就是单位元；

• 逆元：对于任意值a必定存在b，使得a+b=0。

如果再增加一个条件，交换律：a + b = b + a，则称这个群为阿贝尔群，根据这个定义整数集是个阿贝尔群。

‘叁’ 椭圆曲线加密算法

椭圆曲线加密算法，即：Elliptic Curve Cryptography，简称ECC，是基于椭圆曲线数学理论实现的一种非对称加密算法。相比RSA，ECC优势是可以使用更短的密钥，来实现与RSA相当或更高的安全。据研究，160位ECC加密安全性相当于1024位RSA加密，210位ECC加密安全性相当于2048位RSA加密。

椭圆曲线在密码学中的使用，是1985年由Neal Koblitz和Victor Miller分别独立提出的。

一般情况下，椭圆曲线可用下列方程式来表示，其中a,b,c,d为系数。

例如，当a=1,b=0,c=-2,d=4时，所得到的椭圆曲线为:

该椭圆曲线E的图像如图X-1所示，可以看出根本就不是椭圆形。

过曲线上的两点A、B画一条直线，找到直线与椭圆曲线的交点，交点关于x轴对称位置的点，定义为A+B，即为加法。如下图所示：A + B = C

上述方法无法解释A + A，即两点重合的情况。因此在这种情况下，将椭圆曲线在A点的切线，与椭圆曲线的交点，交点关于x轴对称位置的点，定义为A + A，即2A，即为二倍运算。

将A关于x轴对称位置的点定义为-A，即椭圆曲线的正负取反运算。如下图所示：

如果将A与-A相加，过A与-A的直线平行于y轴，可以认为直线与椭圆曲线相交于无穷远点。

综上，定义了A+B、2A运算，因此给定椭圆曲线的某一点G，可以求出2G、3G（即G + 2G）、4G......。即：当给定G点时，已知x，求xG点并不困难。反之，已知xG点，求x则非常困难。此即为椭圆曲线加密算法背后的数学原理。

椭圆曲线要形成一条光滑的曲线，要求x,y取值均为实数，即实数域上的椭圆曲线。但椭圆曲线加密算法，并非使用实数域，而是使用有限域。按数论定义，有限域GF(p)指给定某个质数p，由0、1、2......p-1共p个元素组成的整数集合中定义的加减乘除运算。

假设椭圆曲线为y² = x³ + x + 1，其在有限域GF(23)上时，写作：y² ≡ x³ + x + 1 (mod 23)

此时，椭圆曲线不再是一条光滑曲线，而是一些不连续的点，如下图所示。以点(1,7)为例，7² ≡ 1³ + 1 + 1 ≡ 3 (mod 23)。如此还有如下点：

(0,1) (0,22)(1,7) (1,16)(3,10) (3,13)(4,0)(5,4) (5,19)(6,4) (6,19)(7,11) (7,12)(9,7) (9,16)(11,3) (11,20)等等。

另外，如果P(x,y)为椭圆曲线上的点，则-P即(x,-y)也为椭圆曲线上的点。如点P(0,1)，-P=(0,-1)=(0,22)也为椭圆曲线上的点。

相关公式如下：有限域GF(p)上的椭圆曲线y² = x³ + ax + b，若P(Xp, Yp), Q(Xq, Yq)，且P≠-Q，则R(Xr,Yr) = P+Q 由如下规则确定：

Xr = (λ² - Xp - Xq) mod pYr = (λ(Xp - Xr) - Yp) mod p其中λ = (Yq - Yp)/(Xq - Xp) mod p（若P≠Q）, λ = (3Xp² + a)/2Yp mod p（若P=Q）

因此，有限域GF(23)上的椭圆曲线y² ≡ x³ + x + 1 (mod 23)，假设以(0,1)为G点，计算2G、3G、4G...xG等等，方法如下：

计算2G：λ = (3x0² + 1)/2x1 mod 23 = (1/2) mod 23 = 12Xr = (12² - 0 - 0) mod 23 = 6Yr = (12(0 - 6) - 1) mod 23 = 19即2G为点(6,19)

计算3G：3G = G + 2G，即(0,1) + (6,19)λ = (19 - 1)/(6 - 0) mod 23 = 3Xr = (3² - 0 - 6) mod 23 = 3Yr = (3(0 - 3) - 1) mod 23 = 13即3G为点(3, 13)

建立基于椭圆曲线的加密机制，需要找到类似RSA质因子分解或其他求离散对数这样的难题。而椭圆曲线上的已知G和xG求x，是非常困难的，此即为椭圆曲线上的的离散对数问题。此处x即为私钥，xG即为公钥。

椭圆曲线加密算法原理如下：

设私钥、公钥分别为k、K，即K = kG，其中G为G点。

公钥加密：选择随机数r，将消息M生成密文C，该密文是一个点对，即：C = {rG, M+rK}，其中K为公钥

私钥解密：M + rK - k(rG) = M + r(kG) - k(rG) = M其中k、K分别为私钥、公钥。

椭圆曲线签名算法，即ECDSA。设私钥、公钥分别为k、K，即K = kG，其中G为G点。

私钥签名：1、选择随机数r，计算点rG(x, y)。2、根据随机数r、消息M的哈希h、私钥k，计算s = (h + kx)/r。3、将消息M、和签名{rG, s}发给接收方。

公钥验证签名：1、接收方收到消息M、以及签名{rG=(x,y), s}。2、根据消息求哈希h。3、使用发送方公钥K计算：hG/s + xK/s，并与rG比较，如相等即验签成功。

原理如下：hG/s + xK/s = hG/s + x(kG)/s = (h+xk)G/s= r(h+xk)G / (h+kx) = rG

假设要签名的消息是一个字符串：“Hello World!”。DSA签名的第一个步骤是对待签名的消息生成一个消息摘要。不同的签名算法使用不同的消息摘要算法。而ECDSA256使用SHA256生成256比特的摘要。
摘要生成结束后，应用签名算法对摘要进行签名：
产生一个随机数k
利用随机数k，计算出两个大数r和s。将r和s拼在一起就构成了对消息摘要的签名。
这里需要注意的是，因为随机数k的存在，对于同一条消息，使用同一个算法，产生的签名是不一样的。从函数的角度来理解，签名函数对同样的输入会产生不同的输出。因为函数内部会将随机值混入签名的过程。

关于验证过程，这里不讨论它的算法细节。从宏观上看，消息的接收方从签名中分离出r和s，然后利用公开的密钥信息和s计算出r。如果计算出的r和接收到的r值相同，则表示验证成功。否则，表示验证失败。

‘肆’ 椭圆曲线加密（ECC）核心算法的简明介绍

网上对于椭圆曲线加密过程的介绍过于繁琐，对于只想了解加密如何进行的人来说浪费时间，所以我这里只对关键计算步骤进行介绍，略去椭圆曲线的相关原理（网络一搜一大把）。

最最关键且基本只用到的是 Ep(a,b)的加法

对与椭圆曲线y^2 = x^3+ax+b(mod p) ：

两点P(x1,y1) Q(x2,y2),P≠-Q,则P+Q=(x3,y3)由以下算法定义：

实际通信流程如下：

再对点M进行解码就可以得到明文。上述流程中的加法即为Ep(a,b)的加法。

这个算法实际是基于已知kG难解k实现的，简单清晰。