欧几里得《几何原本》中提出五条公设:
《几何原本》中只有第29条命题,
一条直线与两条平行直线相交,则所成的内错角相等,同位角相等,且同旁内角之和等于两直角
才用到了第五公设,其他命题并没有使用到,因此一些数学家提出疑问:第五公设能否不作为公设,而作为一条定理?能否靠前四条公设证明之?因此出现了长期的关于“平行线理论”的讨论。欧氏几何讲“过直线外一点有且只有一条直线与已知直线平行”,后面就有个罗氏几何(罗巴切夫斯基)讲“过直线外一点至少存在两条直线和已知直线平行”,那么是否有“过直线外一点,不能做直线和已知直线平行?”,黎曼几何就回答了这个问题。
黎曼几何中不承认平行线的存在,即在同一平面内任何两条直线都有公共点(交点)。另一条公设讲:直线可以无限延长,但总的长度是有限的。
黎曼几何也被称为椭圆几何。椭圆曲线就是基于黎曼几何的“平行线理论”。
定义平行线相较于无穷远点P∞,使平面上所有直线都有唯一的交点。
无穷远点的性质:
射影平面坐标系是对笛卡尔平面直角坐标系的扩展。普通平面直角坐标系无法表示无穷远点,因此为了表示无穷远点的坐标,产生了射影平面坐标系。
射影平面点的表示:
对普通平面直角坐标系上的点A(x,y),令x=X/Z,y=Y/Z(Z≠0),则点A在射影平面上表示为(X:Y:Z)。
那么对于平面直角做标记上的点(1,2),在射影平面上坐标为(Z:2Z:Z)Z≠0。
直线方程表示为aX+bY+cZ=0。
两条平行线L1: X+2Y+3Z=0与L2: X+2Y+Z=0,因为L1||L2,所以Z=0,X+2Y=0,所以无穷远点坐标为(-2Y:Y:0)。
一条椭圆曲线在射影平面满足一齐次方程——威尔斯特拉斯方程:
的所有点的集合,且曲线上的每个点都是非奇异(光滑)的。
椭圆曲线并不是椭圆,是由椭圆曲线的描述方程类似于计算椭圆周长的方程而得名。
“非奇异”或“光滑”,可以理解为,满足方程的任意一点都存在切线。虽然有的方程满足上面的形式,但是并不是椭圆曲线。
椭圆曲线上有一个无穷远点(0:1:0)且满足方程。
如何把椭圆曲线放到平面直角坐标系呢?射影平面坐标系只多了个无穷远点,因此求出平面直角坐标系上椭圆曲线所有平常点组成的曲线方程,再加上无穷远点,就构成了椭圆曲线。
把x=X/Z,y=Y/Z代入威尔斯特拉斯方程,得到普通方程:
假设用加法符号“+”表示群操作,给定两个点及其坐标,P(x1,y1),Q(x2,y2),计算第三个点R坐标:
P+Q=R (x1,y1)+(x2,y2)=(x3,y3)
在椭圆曲线上定义阿贝尔群,其运算法则:
任意选取椭圆曲线上两点P、Q(若P、Q两点重合,则作P点的切线)作直线交于椭圆曲线的另一点R',过R'作y轴平行线交于R,规定P+Q=R。
相异点相加P+Q:
相同点相加P+P:
若有k个相同的P点相加,记作kP。
实数域上的椭圆曲线是连续的,并不适用于加密,考虑到加密算法的可实现性,要把椭圆曲线定义在有限域上,使之变成离散的点。
给定一个有限域Fp:
并非所有的椭圆曲线都适合加密。下面定义一类适合加密的椭圆曲线:
椭圆曲线Ep(a,b),p为质数,x,y∈[0,p-1]:
选择两个满足下列约束条件的小于p的非负整数a、b:
如果椭圆曲线上一点P,存在最小的正整数n使得数乘nP=O∞,则称n为P的阶,若n不存在,则P为无限阶。
在有限域上定义的椭圆曲线,所有点的阶n都是存在的。
等式Q=dG(Q,G为Ep(a,b)上的点,d为小于n(n是点G的阶)的整数),在有限域上的椭圆曲线,给定d和G,根据有限域上的加法法则,很容易计算出Q;但给定Q和G,很难计算出d。这就是椭圆曲线的离散对数难题。
点G称为基点,d为私钥,Q为公钥。
攻击者从信道中截取信息,只能得到Ep(a,b),Q,G,C1,C2,而通过Q、G求d或通过C1、C2求k都是困难的,因此攻击者无法获取到明文。
密码学中描述一条有限域上的椭圆曲线常用到六个参量:
T=(p,a,b,G,n,h)
p、a、b用来确定一条椭圆曲线,G为基点,n为点G的阶,h是有限域椭圆曲线上所有点的个数m与n相除得到的整数部分。
这几个参量取值的选择,直接影响了加密的安全性。一般满足如下条件:
这是参考网上的资料实现的简易ECC加解密Demo:
# -*- coding:utf-8 -*- def get_inverse(value, p): """ 求逆元 :param value: 待求逆元的值 :param p: 模数 """ for i in range(1, p): if (i * value) % p == 1: return i return -1 def get_gcd(value1, value2): """ 辗转相除法求最大公约数 :param value1: :param value2: """ if value2 == 0: return value1 else: return get_gcd(value2, value1 % value2) def get_PaddQ(x1, y1, x2, y2, a, p): """ 计算P+Q :param x1: P点横坐标 :param y1: P点纵坐标 :param x2: Q点横坐标 :param y2: Q点纵坐标 :param a: 曲线参数 :param p: 曲线模数 """ flag = 1 # 定义符号位(+/-) # 如果P=Q,斜率k=(3x^2+a)/2y mod p if x1 == x2 and y1 == y2: member = 3 * (x1 ** 2) + a # 分子 denominator = 2 * y1 # 分母 # 如果P≠Q, 斜率k=(y2-y1)/(x2-x1) mod p else: member = y2 - y1 denominator = x2 - x1 if member * denominator < 0: flag = 0 # 表示负数 member = abs(member) denominator = abs(denominator) # 化简分子分母 gcd = get_gcd(member, denominator) # 最大公约数 member = member // gcd denominator = denominator // gcd # 求分母的逆元 inverse_deno = get_inverse(denominator, p) # 求斜率 k = (member * inverse_deno) if flag == 0: k = -k k = k % p # 计算P+Q=(x3,y3) x3 = (k ** 2 - x1 - x2) % p y3 = (k * (x1-x3) -y1) % p return x3, y3 def get_order(x0, y0, a, b, p): """ 计算椭圆曲线的阶 """ x1 = x0 # -P的横坐标 y1 = (-1 * y0) % p # -P的纵坐标 temp_x = x0 temp_y = y0 n = 1 while True: n += 1 # 累加P,得到n*P=0∞ xp, yp = get_PaddQ(temp_x, temp_y, x0, y0, a, p) # 如果(xp,yp)==-P,即(xp,yp)+P=0∞,此时n+1为阶数 if xp == x1 and yp == y1: return n+1 temp_x = xp temp_y = yp def get_dot(x0, a, b, p): """ 计算P和-P """ y0 = -1 for i in range(p): # 满足适合加密的椭圆曲线条件,Ep(a,b),p为质数,x,y∈[0,p-1] if i**2 % p == (x0**3 + a*x0 + b) % p: y0 = i break # 如果找不到合适的y0返回False if y0 == -1: return False # 计算-y x1 = x0 y1 = (-1*y0) % p return x0, y0, x1, y1 def get_graph(a, b, p): """ 画出椭圆曲线散点图 """ xy = [] # 初始化二维数组 for i in range(p): xy.append(['-' for i in range(p)]) for i in range(p): value = get_dot(i, a, b, p) if (value != False): x0,y0,x1,y1 = value xy[x0][y0] = 1 xy[x1][y1] = 1 print('椭圆曲线散点图:') for i in range(p): temp = p - 1 -i if temp >= 10: print(temp, end='') else: print(temp, end='') # 输出具体坐标值 for j in range(p): print(xy[j][temp], end='') print() print(' ', end='') for i in range(p): if i >= 10: print(i, end='') else: print(i, end='') print() def get_nG(xG, yG, priv_key, a, p): """ 计算nG """ temp_x = xG temp_y = yG while priv_key != 1: temp_x, temp_y = get_PaddQ(temp_x, temp_y, xG, yG, a, p) priv_key -= 1 return temp_x, temp_y def get_KEY(): """ 生成公钥私钥 """ # 选择曲线方程 while True: a = int(input('输入椭圆曲线参数a(a>0)的值:')) b = int(input('输入椭圆曲线参数b(b>0)的值:')) p = int(input('输入椭圆曲线参数p(p为素数)的值:')) # 满足曲线判别式 if (4*(a**3)+27*(b**2))%p == 0: print('输入的参数有误,请重新输入!\n') else: break # 输出曲线散点图 get_graph(a, b, p) # 选择基点G print('在上图坐标系中选择基点G的坐标') xG = int(input('横坐标xG:')) yG = int(input('纵坐标yG:')) # 获取曲线的阶 n = get_order(xG, yG, a, b, p) # 生成私钥key,且key<n priv_key = int(input('输入私钥key(<%d):'%n)) #生成公钥KEY xK, yK = get_nG(xG, yG, priv_key, a, p) return xK, yK, priv_key, a, b, p, n, xG, yG def encrypt(xG, yG, xK, yK,priv_key, a, p, n): """ 加密 """ k = int(input('输入一个整数k(<%d)用于计算kG和kQ:' % n)) kGx, kGy = get_nG(xG, yG, priv_key, a, p) # kG kQx, kQy = get_nG(xK, yK, priv_key, a, p) # kQ plain = input('输入需要加密的字符串:') plain = plain.strip() c = [] print('密文为:', end='') for char in plain: intchar = ord(char) cipher = intchar * kQx c.append([kGx, kGy, cipher]) print('(%d,%d),%d' % (kGx, kGy, cipher), end=' ') print() return c def decrypt(c, priv_key, a, p): """ 解密 """ for charArr in c: kQx, kQy = get_nG(charArr[0], charArr[1], priv_key, a, p) print(chr(charArr[2] // kQx), end='') print() if __name__ == '__main__': xK, yK, priv_key, a, b, p, n, xG, yG = get_KEY() c = encrypt(xG, yG, xK, yK, priv_key, a, p, n) decrypt(c, priv_key, a, p)
注:加密函数中,计算密文是通过明文字符的ASCII码乘点kQ的x坐标得到,即incharkQx;而一些加密中是将明文转换为大整数再转换为曲线上的点M(x,y),密文为(C1=kG, C2=(M+kQ)),解密M=C1-priv_keyC2=M+kQ-priv_keykG=M+kpriv_keyG-priv_keykG
本文初步介绍了ECC算法的基本原理和实现步骤,另外,椭圆曲线还应用于密钥交换ECDH、数字签名ECDSA等。一些区块链项目中使用的加密算法也是椭圆曲线,如比特币中的数字签名算法Secp256k1。
由于本人水平有限,文章出现纰漏,还请大佬们斧正。
https://www.pediy.com/kssd/pediy06/pediy6014.htm