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理解橢圓曲線加密算法

橢圓曲線加密算法,即:Elliptic Curve Cryptography,簡稱ECC,是基於橢圓曲線數學理論實現的壹種非對稱加密算法。相比RSA,ECC優勢是可以使用更短的密鑰,來實現與RSA相當或更高的安全。據研究,160位ECC加密安全性相當於1024位RSA加密,210位ECC加密安全性相當於2048位RSA加密。

壹般橢圓曲線方程式表示為:(其中a,b,c,d為系數)

> y2=ax3+ bx2+cx+d

典型的橢圓曲線如:y2=x3?4x2+16

先擺壹個栗子:

小米很難算到的那個數,就是公鑰密碼算法中的私鑰(壹個公鑰密碼算法安全的必要條件(非充分)是“由公鑰不能反推出私鑰”),公鑰密碼算法最根本的原理是利用信息的不對稱性:即掌握私鑰的人在整個通信過程中掌握最多的信息。

橢圓曲線加密算法是壹個基於加法階數難求問題的密碼方案。 對於橢圓曲線來講,橢圓曲線的基點就是例子裏面的5,而私鑰就是基點的加法階數(例子裏面的11),公鑰是基點(5)進行對應階數的加法(11次)得到的結果(55)。

簡單描述就是:G * k = K (G,K公開,k保密)

上述例子相對簡單,橢圓曲線加密算法裏的加法建立在 “有限域上的二元三次曲線上的點”上 ,組成壹個“有限加法循環群”。具體的說,這個加法的幾何定義如下圖,兩個點的加法結果是指這兩點的連線和曲線的交點關於x軸的鏡像。

如果我們從某壹點出發(所謂的單位元,比如正整數域的1,代表壹個空間裏的最基本單元),不停做自增操作(所謂群操作,比如++),枚舉出整個空間的集合元素。如圖:

因此給定橢圓曲線的某壹點G,從G出發,不停做切線,找對稱點,依次得到-2G,2G,-4G,4G,-8G,8G... 。即:當給定G點時,已知x,求xG點並不困難。反之,已知xG點,求x則非常困難。即Q = NG,N就是我們的私鑰,Q就是我們的公鑰。

現在我們知道了公鑰(Q)和私鑰(N)的生成的原理,我們在看看橢圓曲線數字簽名算法(ECDSA)的過程,橢圓曲線數字簽名算法(ECDSA)是使用橢圓曲線密碼(ECC)對數字簽名算法(DSA)的模擬。ECDSA於1999年成為ANSI標準,並於2000年成為IEEE和NIST標準。

私鑰主要用於 簽名,解密 ;公鑰主要用於 驗簽,加密 ,可以通過私鑰可以計算出公鑰,反之則不行。

公鑰加密:公鑰加密的內容可以用私鑰來解密——只有私鑰持有者才能解密。

私鑰簽名:私鑰簽名的內容可以用公鑰驗證。公鑰能驗證的簽名均可視為私鑰持有人所簽署。

通常需要六個參數來描敘壹個特定的橢圓曲線:T = (p, a, b, G, n, h).

p: 代表有限域Fp的那個質數 a,b:橢圓方程的參數 G: 橢圓曲線上的壹個基點G = (xG, yG) n:G在Fp中規定的序號,壹個質數。 h:余因數(cofactor),控制選取點的密度。h = #E(Fp) / n。

這裏以secp256k1曲線(比特幣簽名所使用的曲線)為例介紹壹下公私鑰對的產生的過成。

secp256k1的參數為:

本質上ECDSA的私鑰就是壹個隨機數滿足在曲線G的n階裏及k∈(0,n),根據Q=kG可以計算出公鑰,生成的私鑰壹般為32字節大小,公鑰通常為64個字節大小。如:

ECDSA簽名算法的輸入是數據的哈希值,而不是數據的本身,我們假設用戶的密鑰對:(d, Q);(d為私鑰,Q為公鑰) 待簽名的信息:M; e = Hash(M);簽名:Signature(e) = ( r, s)。

簽名接口:

驗證接口:

壹個例子: