第十一讲 SM2加密 武汉大学密码学

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一、椭圆曲线
4、 GF(2m)上的椭圆曲线
z 除了 GF(p) 上的椭圆曲线，还有定义在 GF(2m) 上的 圆曲线。 z 基于这两种椭圆曲线都可以设计出安全的椭圆曲线 密码。 z 定义：设m是正整数，且b ≠0，称曲线 y2 +xy =x3 +ax2+b ，a,b∈GF(2m) 为GF(2m)上的椭圆曲线。 z 注意：GF(2m)上的椭圆曲线与GF(p)上的椭圆曲线 加法定义不同。
160 位的椭圆曲线密码的安全性相当于 1024 位的 RSA 密 码， 而且运算速度也较快。
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三、椭圆曲线公钥密码
1、椭圆曲线密码概况
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一、椭圆曲线
z 举例：g(x)=x4+x+1是GF(2)上的既约多项式，用g(x)构造扩域 GF(24)。取a =α3，b =α14，考虑GF(24)上的椭圆曲线多项式 y2 +xy=x3 +ax2+b=x3 +α3x2+α14 通过穷举，求出其全部解点如下： P1= (0000，1011) P2= (0001，0000) P3= (0001，0001) P4= (0010，1101) P5= (0010，1111) P6= (0011，1100) P7= (0011，1111) P8 = (0101，0000) P9= (0101，0101) P10= (0111，1011) P11= (0111，1100) P12= (1000 , 0001) P13= (1000，1001) P14= (1001，0110) P15= (1001，1111) P16= (1011，0010) P17= (1011，1001) P18= (1100，0000) P19= (1100，1100) P20= (1111，0100) P21= (1111，1011)
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一、椭圆曲线
G ＝（2，7） 2G ＝（5，2） 3G ＝（8，3） 4G ＝（10，2） 6G ＝（7，9） 5G ＝（3，6） 7G ＝（7，2） 8G ＝（3，5） 9G ＝（10，9） 10G ＝（8，8） 11G ＝（5，9） 12G ＝（2，4） 13G ＝O（ ∞，∞ ） z 在上例中，由于p较小，使GF(p)也较小，故可以利用穷举的 方法求出所有解点。但是，对于一般情况要确切计算椭圆曲 线解点数N的准确值比较困难。 z N满足以下不等式 P+1-2P 1/2≤N≤P+1+2P 1/2 。
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二、椭圆曲线离散对数问题
③求对数 x 的运算为 x=logαy，1≤x≤p-1 由于上述运算是定义在有限域Fp 上的，所以称为离 散对数运算。 z 从 x 计算 y 是容易的。可是从 y计算 x 就困难得多，利 用目前最好的算法，对于认真选择的p，求解离散对 数问题的计算复杂性为O(p ½)。 z 据此，对于认真选择的、足够大的p，求解离散对数 问题是困难的。
密码学
第十一讲 中国商用公钥密码 SM2加密算法
张焕国 武汉大学计算机学院 空天信息安全与可信计算教育部重点实验室
目录
第一讲 第二讲 第三讲 第四讲 第五讲 第六讲 第七讲 第八讲 第九讲 信息安全概论 密码学的基本概念 数据加密标准（DES） 高级数据加密标准（AES） 中国商用密码SMS4与分组密码应用技术 序列密码基础 祖冲之密码 中国商用密码HASH函数SM3 复习
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三、椭圆曲线公钥密码
1、椭圆曲线密码的一般情况
z 一些国际标准化组织已把椭圆曲线密码作为新的信 息安全标准。如， IEEE P1363/D4，ANSI F9.62， ANSI F9.63 等标准，分别规范了椭圆曲线密码在 Internet协议安全、电子商务、Web服务器、空间通 信、移动通信、智能卡等方面的应用。 z 我国商用密码采用了椭圆曲线密码，并颁布了椭圆 曲线密码标准算法SM2。
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二、椭圆曲线离散对数问题
2、椭圆曲线群上的离散对数问题
z 一般情况下，椭圆曲线上的解点所构成的群 E不一 定都是循环群。于是我们希望从中找出一个循环子 群E1 。 z 可以证明， 当循环子群 E1 的阶 n 是足够大的素数 时，这个循环子群中的椭圆离散对数问题是困难 的。 z 基于子群E1的椭圆离散对数问题可以构造密码，并 称为椭圆曲线密码。
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一、椭圆曲线
1、素域上的椭圆曲线
③定义加法 z 设P(x1，y1)≠Q(x2，y2)，且P和Q不互逆 ，则 P（x1 ，y1）＋Q（x2 ，y2）＝R（x3 ，y3） 。其中 x 3 = λ2 - x1 - x2 ， y3 = λ(x1 –x3) - y1 ， (y2 -y1 ) λ= 。 (x2 -x1 )
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一、椭圆曲线
1、素域上的椭圆曲线
z 作集合E={全体解点，无穷点O }。 z 可以验证，如上定义的集合E和加法运算构成加法交 换群。 z 复习：群G的定义
G是一个非空集，定义了一种运算，且运算是自封闭的； 运算满足结合律； G中有单位元； G中的元素都有逆元；
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一、椭圆曲线
z 结果说明，这个群是循环群，P5是群的一个生成元。 z 注意：并不是所有非零元素都是群的生成元，如P12= (1000，0001)的阶为11。
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二、椭圆曲线离散对数问题
1、对比素域上的离散对数问题
①设p为素数，则模p的剩余构成有限域： Fp= GF(p) ={0,1,2 ,… , p-1} Fp 的非零元素构成乘法循环群Fp*： Fp* ={1,2 ,…, p-1} ={α，α2，α3，… ,αp-1}， 则称α为Fp*的生成元或模 p 的本原元。 ②求α的摸幂运算为: y =αx mod p，1≤x≤p-1,
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一、圆曲线
3、举例
z 求出mod 11 的平方剩余。
12=1 mod 11 32=9 mod 11 52=25=3 mod 11 72=49=5 mod 11 92=81=4 mod 11 22=4 mod 11 42=16=5 mod 11 62=36=3 mod 11 82=64=9 mod 11 102=100=1 mod 11
所以，mod 11的平方剩余为： {1,3,4,5,9}
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一、椭圆曲线
x 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 x3+x+6 mod 11 6 8 5 3 8 4 8 4 9 7 4 是否是模11平方剩余？ No No Yes Yes No Yes No Yes Yes No Yes y
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一、椭圆曲线
1、素域上的椭圆曲线
③定义加法 z 当P （x1 ，y1） = Q(x2，y2)时 P（x1 ，y1）＋ Q(x2，y2) ＝2 P（x1 ，y1） ＝R（x3 ，y3）。 其中 x3 = λ2 - 2x1 ， y3 =λ(x1 –x3) - y1 ， (3x12 +a ) λ= 。 (2y1 )
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一、椭圆曲线
z 由于是加法群，n个元素G相加表示为： G+G+...+G ＝ nG ， 并称为倍点运算。 z 我们取G ＝（2，7）为生成元，2倍点计算如下： 2G =（2，7）+（2，7）=（5，2） z 因 为 λ= （ 3×22+1 ） （ 2×7 ） -1 mod 11 =2×3-1 mod 11=2×4 mod 11=8 。于是， x3 =82-2×2 mod 11=5 ， y3 =8（2-5）-7 mod 11=2 。
4,7 5,6 2,9 2,9 3,8 2,9
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一、椭圆曲线
z 根据上表可知椭圆曲线 y2=x3+x+6 mod 11 的全部解 点集为： (2，4), (2，7), (3，5), (3，6), (5，2), (5，9), (7，2), (7，9), (8，3), (8，8), (10，2), (10，9)。 再加上无穷远点O，共13的点构成一个加法交换群。 z E={全体解点 ∪ 无穷远点O} z 由于群E的元素个数为13，而13为素数，所以群E是 循环群，而且任何一个非0元素都是生成元。
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一、椭圆曲线
1、素域上的椭圆曲线
为了利用解点构成交换群，需要引进一个 0 元素，并 定义如下的加法运算： ①定义单位元O 引进一个无穷点 O （∞，∞）， 简记为 O ，作为 0 元 素。 O（∞，∞）＋O（∞，∞）＝0＋0＝0 。 并定义对于所有的解点P（x ，y）， P（x ，y）+O＝O + P（x ，y）＝P（x ，y）。
一、椭圆曲线 二、椭圆曲线离散对数问题 三、椭圆曲线公钥密码 四、中国商用椭圆曲线公钥密码SM2
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一、椭圆曲线
人们对椭圆曲线的研究已有100多年的历史
1、素域上的椭圆曲线
z 设p是大于3的素数，且4a3+27b2 ≠0 mod p ，称 y2 =x3 +ax+b ， a, b∈GF(p) 为GF（p）上的椭圆曲线。 z 由椭圆曲线可得到一个同余方程： y2 =x3 +ax+b mod p z 其解为一个二元组<x, y>，x, y∈GF(p)，将此二元组 描画到椭圆曲线上便为一个点，故 称其为一个解 点。
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二、椭圆曲线离散对数问题
2、椭圆曲线群上的离散对数问题
z 设G是椭圆曲线上的一个解点，它的阶为n，t 为一 正整数，且1≤t <n。对于给定的G和t，计算tG＝Q 是容易的。但若已知 G 和 Q 点，要计算出 t则是困难 的。这便是椭圆曲线群上的离散对数问题，简记为 ECDLP。 z 除了几类特殊的椭圆曲线外，对于一般ECDLP目前 尚没有有效求解方法。因子分解和DLP问题都有亚 指数求解算法，而ECDLP尚没有亚指数求解算法。 z 据此，对于认真选择的、足够大的解点群，椭圆曲 线离散对数问题是困难的。