8 - 基于离散对数问题的公钥加密系统

基于离散对数问题的公钥运算

原书：《Understanding Cryptography: A Text book for Students and Practitioners》

前面介绍的 RSA 算法，我们利用了大整数的因数分解极其困难这一特性，以此构建了单向函数。大部分非 RSA 公钥加密算法，是基于另一类单向函数，离散对数问题。

8.1 Diffie-Hellman 密钥交换

Diffie-Hellman 密钥交换 DHKE: Diffie-Hellman key exchange，由 Whitfield Diffie 与 Martin Hellman 于 1976 年提出，是第一个在公开刊物上发布的非对称策略。两位发明者受到 Ralph Merkle 工作的影响。它提供了实际情况下的密钥分发策略，可以为沟通双方在非安全通道中建立共有密钥。DHKE 是离散对数问题的典型应用。这个基本的密钥建立技术，应用在很多开源的商务加密协议比如 SSH: Secure Shell、TLS: Transport Layer Security 以及 IPSec: Internet Protocol Security 中。在 DHKE 背后是 $Z_p^*$ 的指数($p$ 是质数)是一个单向函数。指数是可交换的。

\[k = (a^x)^y \equiv (a^y)^x \ mod \ p \]

$k \equiv (a^x)^y \equiv (a^y)^x \ mod \ p$ 是一个联合密钥，可以做为通讯双方的会话密钥。

让我们先看一下 Diffie-Hellman 密钥交换协议是如何通过 $Z_p^*$ 工作的。在这个协议中，通讯双方，A 与 B 希望建立一个共享密钥。我们可以通过一个置信第三方，通过它来选择密钥交换需要的公共参数，当然也可以由 A 与 B 生成公共参数。严格来说，DHKE 由两个协议组成，配置协议以及主协议，主协议进行真正的密钥交换。配置协议由下面步骤组成：

Diffie-Hellman 配置

选择一个大质数 $p$
选择一个整数 $\alpha \in \{2，3，...，p-2\}$
发布 $p$ 与 $\alpha$

这两个值有时称作域参数。如果 A 与 B 都知道配置步骤中的公共参数 $p$ 以及 $\alpha$，那么他们可以使用下面的密钥交换协议生成一个联合密钥 $k$：

Diffie-Hellman 密钥交换

A 选择 $a = k_{pr，A} \in \{2，...，p-2\}$，计算 $A = k_{pub，A} \equiv \alpha^a \ mod \ p$

B 选择 $b = k_{pr，B} \in \{2，...，p-2\}$，计算 $B = k_{pub，B} \equiv \alpha^b \ mod \ p$

A 将 $k_{pub，A} = A$ 发送给 B，B 将 $k_{pub，B} = B$ 发送给 A

A 计算得到 $k_{AB} = k_{pub，B}^{k_pr，A} \equiv B^a \ mod p$，B 计算得到 $k_{AB} = k_{pub，A}^{k_{pr}，B} \equiv A^b \ mod \ p$

下面证明 A 与 B 通过上面的协议计算得到的密钥是相同的会话密钥。

证明

A 计算得到

\[B^a \equiv (\alpha^b)^a \equiv \alpha^{ab} \ mod \ p \\ \]

B 计算得到

\[A^b \equiv (\alpha^a)^b \equiv \alpha^{ab} \ mod \ p \]

这样 A 与 B 都得到了共享会话密钥 $k_{AB} \equiv \alpha^{ab} \ mod \ p$。这个密钥可以用在 A 与 B 之间进行安全通讯了，使用 $K_{AB}$ 做为对称算法如 AES 或 DES 的密钥了。

我们现在看一个小的数值做为例子。

例 8.1 Diffie-Hellman 域参数为 $p = 29，\alpha = 2$，协议处理如下：

A 选择 $a = k_{pr，A} = 5$，$A = k_{pub，A} = 2^5 \equiv 3 \ mod \ 29$

B 选择 $b = k_{pr，B} = 12$，$B = k_{pub，B} = 2^{12} \equiv 7 \ mod \ 29$

A 将 A = 3 交给 B，B 将 B = 7 交给 A

A 计算 $K_{AB} = B^a \equiv 7^5 \equiv 16 \ mod \ 29$，B 计算 $K_{AB} = A^b = 3^{12} \equiv 16 \ mod \ 29$

在实际应用中，为了提供比较强的安全性能，DHKE 的 $p$ 长度与 RSA 中的模数 $n$ 长度相似，都是 1024 位以上。整数 $\alpha$ 需要具有特殊属性：它需要是一个原始元素 primitive element。协议中计算的会话密钥 $k_{AB}$ 位长与 $p$ 相同。如果我们希望使用它做为如 AES 算法的对称密钥，我们可以简单取最高 128 位，也可以使用对 $k_{AB}$ 做哈希利用哈希输出做为对称密钥。

在真实的协议中，我们会首先生成私钥 $a$ 与 $b$，出于安全性考虑，它们应该来自于真随机数生成器。计算公钥 A 与 B 以及会话密钥，可以使用重复平方乘算法。

8.2 一些代数

下面我们介绍一些基础的抽象代数问题，诸如群、子群、有限群与循环群。

8.2.1 群

让我们回顾群的定义。

定义 8.2.1 群

群是一个元素 $G$ 的集合，并伴有将 $G$ 中两个元素组合的操作 $\circ$，群具有下面的特性：

群操作 $\circ$ 是闭合的，既对所有的 $a，b\in G$，满足 $a \circ b = c \in G$
群操作 $\circ$ 满足结合律，既 $a\circ (b \circ c) = (a \circ b)\circ c；a，b，c\in G$
具有元素 $e\in G$，称为零元素，满足 $a\circ e = e\circ a = a，a\in G$
对于 $a\in G$ 存在 $a^{-1} \in G$ 称作 $a$ 的逆，满足 $a \circ a^{-1} = a^{-1}\circ a = 1$
如果 $a \circ b = b \circ a；a，b \in G$，那么这个群是阿贝尔群

注意到，在加密运算应用中，我们会同时使用乘法群与加法群，在乘法群中操作数 $\circ$ 表示为乘法，而在加法群中操作数 $\circ$ 表示为加法。

例 8.2 为了阐述群定义，我们考虑下面的例子

$(Z，+)$ 是一个群，既整数集 $Z = \{...，-2，-1，0，1，2，...\}$ 并使用加法做为操作，组成一个阿贝尔群，其中零元素 $e = 0$，$-a$ 是 $a \in Z$ 的逆
$(Z，\cdot)，0 \notin Z$ 不是一个群，既排除元素 0 的整数集不构成群，因为除了 $-1，1$，不存在 $a \in Z$ 的逆存在使 $a \cdot a^{-1} = 1$
$(C，\cdot)$ 是一个群，既复数 $u + iv；u，v \in R$ 使用乘法操作，有 $i^2 = -1$，并伴随有下面的复数乘法操作：

\[(u_1 + iv_1)\cdot(u_2+iv_2) = (u_1u_2 - v_1v_2) + i(u_1v_2 + v_1u_2) \]
形成一个阿贝尔群，群的零元素 $e = 1$，元素 $a = u + iv \in C$ 逆为 $a^{-1} = (u - i)/(u^2 + v^2)$

不过，上面提到的几个群，并不在密码学中使用，因为我们需要一个具有有限元素的群。

定理 8.2.1

集合 $Z_n^*$ 由满足 $gcd(i，n) = 1$ 的整数 $i = 0，1，...，n-1$ 组成，在整数乘模 $n$ 操作下组成阿贝尔群，零元素是 $e = 1$

例 8.3 如果我们选择 $n = 9$，$Z_n^*$ 由元素 $\{1，2，4，5，7，8\}$ 组成，下表展示了这个集合的乘法模 9 的表：

$\times \ mod \ 9 $	1	2	4	5	7	8
1	1	2	4	5	7	8
2	2	4	8	1	4	7
4	4	8	7	2	1	5
5	5	1	2	7	8	4
7	7	5	1	8	4	2
8	8	7	5	4	2	1

通过将 $Z_9^*$ 的全部元素计算出来，我们可以轻松得出它是阿贝尔群。

8.2.2 循环群

在密码学中，我们总是考虑有限结构，比如在 AES 中我们需要使用有限域。我们现在提供一个有限群的直接定义：

定义 8.2.2 有限群

如果一个群具有有限元素数，这个群 $(G，\circ)$ 是有限群。我们将这个群 $G$ 的基数或阶表示为 $|G|$

例 8.4 有限群例：

$(Z_n，+)$：$Z_n$ 的基数是 $|Z_n| = n$ 因为 $Z_n = \{0，1，2，...，n-1\}$
$(Z_n^*，\cdot)$：$Z_n^*$ 定义为小于 $n$ 的正整数集，集合中的元素与 $n$ 互质，因此 $Z_n^*$ 的基数等于 $n$ 的欧拉 Phi 函数，$|Z_n^*| = \Phi(n)$，比如，群 $Z_9^*$ 的基数为 $3^2 - 3^1 = 6$，群的元素是 $\{1，2，4，5，7，8\}$

定义 8.2.3 元素的阶

一个群 $(G，\circ)$ 的元素 $a$ 的阶 $ord(a)$，是最小的正整数 $k$ ，满足：

\[a^k = a\circ a \circ a ... \circ a = 1 \]

其中 $1$ 为群 $G$ 的零元素。

例 8.5 在群 $Z_{11}^*$ 中，我们可以尝试元素 $a = 3$ 的阶，我们可以穷举直到得到零元素 1

\[a^1 = 3 \\ a^2 = a\cdot a = 3 \cdot 3 = 9 \\ a^3 = a^2\cdot a = 9 \cdot 3 = 27 \equiv 5 \ mod \ 11 \\ a^4 = a^3\cdot a = 5\cdot 3 = 15 \equiv 4 \ mod \ 11 \\ a^5 = a^4\cdot a = 4 \cdot 3 = 12 \equiv 1 \ mod \ 11 \]

可以得到元素 $a = 3$ 的阶是 $ord(3) = 5$。

我们让这个乘法继续下去：

\[a^6 = a^5 \cdot a \equiv 1 \cdot a \equiv 3 \ mod \ 11 \\ a^7 = a^5 \cdot a^2 \equiv 1 \cdot a^2 \equiv 9 \ mod \ 11 \\ a^8 = a^5 \cdot a^3 \equiv 1 \cdot a^3 \equiv 5 \ mod \ 11 \\ a^9 = a^5 \cdot a^4 \equiv 1 \cdot a^4 \equiv 4 \ mod \ 11 \\ a^{10} = a^5\cdot a^5 \equiv 1 \cdot 1 \equiv 1 \ mod \ 11 \\ a^{11} = a^10 \cdot a \equiv 1 \cdot a \equiv 3 \ mod \ 11 \\ \]

定义 8.2.4 循环群

群 $G$ 包含一个元素 $\alpha$，它具有阶 $ord(\alpha) = |G|$，那么我们说它是循环的，具有这个最大阶的元素，称作原始元素或生成元素。

例 8.6 我们检验一下 $a = 2$ 是否是 $Z_{11}^* = \{1，2，3，4，5，6，7，8，9，10\}$ 的原始元素，注意到群 $|Z_{11}^*| = 10$

\[a = 2 \\ a^2 = 4 \\ a^3 = 8 \\ a^4 \equiv 5 \ mod \ 11 \\ a^5 \equiv 10 \ mod \ 11 \\ a^6 \equiv 9 \ mod \ 11 \\ a^7 \equiv 7 \ mod \ 11 \\ a^8 \equiv 3 \ mod \ 11 \\ a^9 \equiv 6 \ mod \ 11 \\ a^{10} \equiv 1 \ mod \ 11 \\ \]

可知 $a = 2$ 元素是 $Z_{11}^*$ 的原始元素，且这个群是循环群。从上面的穷举中，我们也可以看到，它生成了群中的所有元素，而且这个生成的顺序看起来是任意的，这也是 Diffie-Hellman 密钥交换的基础。

循环群具有有趣的特性。

在密码学应用中，十分重要的一个特性是：

定理 8.2.2 对于每一个质数 $p$，$(Z_p^*，\cdot)$ 是阿贝尔有限循环群

定理 8.2.3 $G$ 是一个有限群，那么对于每一个 $a \in G$ 必然满足：

$a^{|G|} = 1$
$ord(a)$ 能够整除 $|G|$

例 8.7 我们考虑群 $Z_{11}^*$ 它的阶是 10，这个群中的元素的阶分别是 1，2，5，10，因为只有这些整数能够整除 10，我们可以验证这一特性

\[ord(1) = 1，ord(2) = 10，ord(3) = 5，ord(4) = 5，ord(5) = 5 \\ ord(6) = 10，ord(7) = 10，ord(8) = 10，ord(9) = 5，ord(10) = 2 \]

定理 8.2.4 令 $G$ 是有限循环群，那么它必满足：

$G$ 的原始元素的数量是 $\Phi(|G|)$
若 $|G|$ 是质数，那么所有 $a \neq 1 \in G$ 元素都是原始元素

8.2.3 子群

定理 8.2.5 循环子群定理

令 $(G，\circ)$ 做为一个循环群，那么每一个元素 $a \in G$，具有 $ord(a) = s$ 是具有 $s$ 个元素的循环子群的原始元素

例 8.8 考虑 $G = Z_{11}^*$ 的子群，在前面，我们看到 $ord(3) = 5$，元素 3 能够生成子集 $H = \{1，3，4，5，9\}$，通过穷举其运算：

$\times \ mod \ 11$	1	3	4	5	9
1	1	3	4	5	9
3	3	9	1	4	5
4	5	1	5	9	3
5	5	4	9	3	1
9	9	5	3	1	4

从上面穷举计算可见，$H$ 在乘模 11 运算上是闭合的，满足结合律，具有零元素 1，每个元素都有对应的逆元素，因此 $H$ 是 $Z_{11}^*$ 的子群。

更精群地说，它是质数阶 5 的子群。不仅 3 是 $H$ 的原始元素，4、5、9 也是。

一个重要的特例是，子群的阶是质数阶。从定理 8.2.4 可知，如果这个子群的阶表示为 $q$，所有不是零元素的元素具有阶 $q$。

从循环子群定理，我们知道每一个元素 $a\in G$ 产生一些子群 $H$，由定理 8.2.3 有下面定理存在：

定理 8.2.6 拉格朗日定理

$H$ 为 $G$ 的子群，那么 $|H|$ 整除 $|G|$

例 8.9 循环群 $Z_{11}^*$ 的阶为 $|Z_{11}^*| = 10 = 1\cdot 2\cdot 5$，因此它的子群的阶有 1、2、5、10，因为它们能够整除 10，所有 $Z_{11}^*$ 子群 $H$ 以及它们的原始元素 $\alpha$ 如下：

子群	元素	原始元素
$H_1$		$\alpha = 1$
$H_2$		$\alpha = 10$
$H_3$		$\alpha = 3，4，5，9$

下面是本节的最后一个定理，全面阐述有限循环群的子群特性。

定理 8.2.7

$G$ 是一个有限循环群，阶是 $n$，$\alpha$ 是 $G$ 的原始元素，那么对于每一个能够整除 $n$ 的整数 $k$，存在一个 $G$ 的阶为 $k$ 的循环子群。这个子群由 $\alpha^{n/k}$ 生成，$H$ 由满足 $a\in G，a^k = 1$ 的元素组成，没有其他子群

这个定理给了我们一个从一个循环群构建直接构建子群的方法。我们唯一需要知道的就是群的阶 $n$，以及一个原始元素，知道这些，我们就可以计算 $\alpha^{n/k}$ 并获得具有 $k$ 个元素的子群。

例 8.10 考虑循环群 $Z_{11}^*$，在之前的例子中，我们知道 $\alpha = 8$ 是群的一个原始元素，如果我们希望有一个阶为 2 的原始元素 $\beta$，可以计算

\[\beta = \alpha^{n/k} = 8^{10/2} = 8^5 = 32768 \equiv 10 \ mod \ 11 \]

我们现在可以验证元素 10 实际上生成具有两个元素的子群 $\beta^1 = 10，\beta^2 = 100 \equiv 1 \ mod \ 11，\beta^3 \equiv 10 \ mod \ 11$。

8.3 离散对数问题

在 DHKE 算法下的单向函数，是离散对数问题 DLP: discrete logarithm problem，这一问题可以直接使用循环群解释。

8.3.1 质数域的离散对数问题

我们以 $Z_p^*$ 开始讨论 DLP 问题，其中 $p$ 为质数。

定义 8.3.1

给到有限群 $Z_p^*$ 的阶为 $p-1$，有原始元素 $\alpha \in Z_p^*$ 以及另一个元素 $\beta \in Z_p^*$，那么 DLP 问题是，是否能够确定整数 $1 \leq x \leq p-1$ 有：

\[\alpha^x \equiv \beta \ mod \ p \]

从 8.2.2 小节中，可以知道这样的整数 $x$ 必然存在，因为 $\alpha$ 是一个原始元素，且每一个群元素可以表示为任何原始元素的指数。这个整数 $x$ 称作 $\beta$ 对基底 $\alpha$ 的离散对数，我们可以正式写成：

\[x = log_{\alpha}\beta \ mod \ p \]

如果参数足够大，那么计算理算对数模质数是十分困难的工作。由于指数 $\alpha^x \equiv \beta \ mod \ p$ 计算是十分简单的，这形成了一个单向函数。

例 8.11 我们考虑 $Z_{47}^*$ 中的离散对数，其中 $\alpha = 5$ 是其中的原始元素，对于 $\beta = 41$，离散对数问题是：找到正整数 $x$ 有：

\[5^x \equiv 41 \ mod \ 47 \]

就算是小的数值，确定 $x$ 也不是直观的。使用暴力攻击，系统尝试所有可能的 $x$ 值，我们得到解 $x = 15$。

实际上，一般期望在 DLP 问题中使用质数阶，以防止 Pohlig-Hellman 攻击。因为群 $Z_p^*$ 具有阶 $p-1$，显然不是质数，我们通常使用 $Z_p^*$ 带有质数阶的子群，而不是 $Z_p^*$ 自身，下面用一个例子阐述。

例 8.12 我们考虑群 $Z_{47}^*$，它的阶为 46，$Z_{47}^*$ 的子群的阶有 23、2、1，$\alpha = 2$ 是具有 23 个元素的子群中的一个元素，因为 23 是一个质数， $\alpha$ 是子群中的一个质数元素，一个可能的离散对数问题是：给到 $\beta = 36$ (子群中的一个元素)，找到正整数 $x$，$1 \leq x \leq 23$，有：

\[2^x \equiv 36 \ mod \ 47 \]

使用暴力破解，我们得到解为 $x = 17$。

8.3.2 广义离散对数问题

DLP 特性并不限制在 $p$ 为质数的乘法群 $Z_p^*$，它可以在任何循环群中定义，这称作广义离散对数问题 GDLP: generalized discrete logarithm problem 描述如下：

定义 8.3.2 广义离散对数问题

给定一个有限循环群 $G$ 群操作为 $\circ$ 阶为 $n$，我们考虑一个质数元素 $\alpha \in G$，以及另一个元素 $\beta \in G$，离散对数问题是：找到整数 $x$，$1\leq x \leq n$，有：

\[\beta = a^x \]

在 $Z_p^*$ 的 DLP 问题中，这样的整数必然存在，因为 $\alpha$ 是一个原始元素，因此群 $G$ 的每一个元素都可以由 $\alpha$ 的产物生成。

需要注意的是，在一些循环群中 DLP 问题并不复杂，这样的群不能用在公钥算法中，因为这样的 DLP 不再是单向函数，考虑下面的问题：

例 8.13 这次我们选择整数对质数模的加法群做为用例，我们选择质数 $p = 11，G = (Z_{11}，+)$ 是一个有限循环群，具有原始元素 $\alpha = 2$，下面是 $\alpha$ 如何生成群的：

$i$	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
$i\alpha$	2	4	6	8	10	1	3	5	7	9	0

我们尝试对 $\beta = 3$ 解 DLP 问题，我们必须计算整数 $1 \leq x \leq 11$ 有：

\[x\cdot 2 = 2 + 2 + ... + 2 \equiv 3 \ mod \ 11 \]

下面是对 DLP 的攻击，即便群操作是加法，我们也可以使用乘法表示 $\alpha$ 与 $\beta$ 以及离散对数 $x$ 之间的关系：

\[x\cdot 2 \equiv 3 \ mod \ 11 \]

为求解 $x$，可以简单对 $\alpha$ 求逆：

\[x \equiv 2^{-1}3 \ mod \ 11 \]

使用扩展欧几里得算法，我们可以计算 $2^{-1} \equiv 6 \ mod \ 11$，从而有：

\[x \equiv 2^{-1}3 \equiv 7 \ mod \ 11 \]

查看上面列出的表格，可以确定我们的计算是正确的。

我们可以一般化上面的技巧，以处理任意的群 $(Z_n，+)$，因此，我们可以得出广义 DLP 问题在 $Z_n$ 的情况下是易于计算的。

现在我们列出在密码学中已经提出的离散对数问题：

质数阶乘法群 $Z_p$ 或它的一个子群。经典 DHKE、Elgamal 加密或数字签名算法 DSA: Digital Signature Algorithm 使用这个群，这是最经典且是最广泛使用的离散对数系统
由椭圆曲线形成的循环群，椭圆曲线加密系统会在第九章介绍，它们在最近十年十分流行
伽罗瓦域 $GF(2^m)$ 乘法群或它的子群，这些群完全可以用来模拟质数域的乘法群，DHKE 策略可以基于这些群，实际中它们并不流行，因为对它们的攻击更加强劲，因此这样的群中的 D·LP 需要更长的比特位长，来提供与其他群一样的安全等级
超椭圆曲线或代数变量，可以视为广义的椭圆曲线，实际中一般不用，不过某些超椭圆曲线具有一些优点比如操作数比较短

8.3.3 对离散对数的攻击

本小节介绍求解离散对数问题的方法。只对构造使用 DL 策略的读者，可以跳过这一部分。

我们已经看到，离散对数的非对称算法安全性基于在循环群中计算 DLP 问题，既，给定一个群 $G$ 及其元素 $\alpha$、$\beta$，计算出 $x$，使得：

\[\beta = \alpha^x \]

到目前为止，我们还不知道在一个实际群中计算离散对数 $x$ 的难度。这里的意思是，虽然一些攻击方式是已知的，但我们并不清楚是否有更好更强有力的求解 DLP 的算法。这个情况在整数因数分解也是一样的。

暴力搜索

简单穷举所有的指数，直到得到结果 $\beta$：

\[\alpha^1 \ ?= \beta \\ \alpha^2 \ ?= \beta \\ ... \\ \alpha^x \ ?= \beta \]

对于随机的 $x$，我们期望查找一半数量的可能 $x$，得到正确的结果，复杂度将与 $|G|$ 相关，$|G|$ 是群的阶。为了对抗基于 DL 加密的暴力攻击，$|G|$ 应该足够大，比如在实际案例中，$Z_p^*$ ($p$ 为质数)，$|G| = p-1$ 应该至少为 $2^{80}$。

大步小步算法(Shanks' baby-step giant-step method)

将离散对数算法 $x = log_{\alpha}\beta$ 重写为两个数值表示：

\[x = x_g m + x_b \quad 0 \leq x_g，x_b < m \]

$m = \sqrt{|G|}$ 现在，可重新表示为 $\beta = \alpha^x = \alpha^{x_gm+x_b}$ 可以得到：

\[\beta\cdot(\alpha^{-m})^{x_g} = \alpha^{x_b} \]

算法目标是查找一对 $(x_g，x_b)$，算法的可以单独搜索 $x_g$ 与 $x_b$，在算法的第一步，我们计算并存储所有 $\alpha^{x_b}$，其中 $0 \leq x_b < m$，这是算法的小步阶段，需要 $m \approx \sqrt{|G|}$ 步，并需要存储 $m \approx \sqrt{|G|}$ 的结果。

在大步阶段，算法编历所有的 $x_g，0 \leq x_g < m$，查看下面的等式是否满足：

\[\beta\cdot(\alpha^{-m})^{x_g} = \alpha^{x_b} \]

如果满足这个等式，那么对于满足等式的参数对 $x_{g，b}，x_{b，0}$，有：

\[x = x_{g，0}m + x_{b，0} \]

大步小步算法复杂度是 $\sqrt{|G|}$，并需要等量的内存，在阶为 $2^{80}$ 的群中，攻击者只需要约 $2^{40}$ 时间复杂度与空间复杂度，这对于现今的计算机是可行的。因此，我们需要的阶至少为 $2^{160}$，在 $G = Z_p^*$ 群中，质数 $p$ 至少要有 160 位长。

普利-罗尔算法(Pollard's Rho method)

普利-罗尔算法与大步小步算法具有相同的时间复杂度，但其需要的空间复杂度是很小的。这个算法是一类概率算法，基于生日悖论。这里我们仅简单介绍这个算法。基本的思想是伪随机生成群元素 $\alpha^i \cdot \beta^j$，对于每一个元素，我们追踪 $i$ 与 $j$，直到我们获得两个元素满足：

\[\alpha^{i_1}\cdot \beta^{j_1} = \alpha^{i_2}\cdot\beta^{j_2} \]

如果我们替换 $\beta = \alpha^x$ 并比较等式两侧的等式，会得出 $i_1 + xj_1 \equiv i_2 + xj_2 \ mod \ |G|$ (我们在循环群中)，这里，离散对数算法可以简单计算为：

\[x\equiv (i_2 - i_1)/(j_1 - j_2) \ mod \ |G| \]

波利格-海尔曼算法(Pohlig-Hellman Algorithm)

波利格-海尔曼算法基于中国剩余定理，对群的阶进行可能的因数分解。令：

\[|G| = p_1^{e_1}\cdot p_2^{e_2}\cdot ... \cdot p_l^{e_l} \]

做为群阶的质因数分解，我们可以利用这个质因数分解，将大的离散对数算法分割成小的离散对数算法。可以对小的离散对数问题，可以使用前面介绍的算法进行求解。

非一般化算法：指数-对数算法(Index-Calculus method)

前面介绍的算法都是与这个群是什么样的群无关的，它们可以求解任何循环群中的离散对数算法问题。而非一般算法则针对某一类特群进行高效攻击。最重要的非一般化算法是指数-对数算法。

8.4 Diffie-Hellman 密钥交换的安全性

在介绍离散对数问题后，我们现在可以讨论 DHKE 的安全性了。首先，需要注意的，基础版本的 DHKE 的协议不能抵抗中间人攻击。

现在我们考虑被动攻击，既，攻击者只能监听但不能修改信息。攻击者的目标是计算会话双方共享的会话密钥 $K_{AB}$。攻击者知道 $\alpha$ 以及 $p$，因为这些是在协议配置时公开的信息。另外，攻击者可以在密钥交换协议执行期间监听通道，可以获取到 $k_{pub，A}$ 与 $k_{pub，B}$ 的值。因此，问题变为攻击者是否能够从已知信息 $\alpha$、$p$、$A\equiv \alpha^a \ mod \ p$、$B \equiv \alpha^b \ mod \ p$ 计算出 $k = \alpha^{ab}$，这个问题称作 Diffie-Hellman 问题 DHP: Diffie-Hellman problem。下面是对 DHP 的正式描述：

定义 8.4.1 广义 DHP

给到有限循环群 $G$ 阶为 $n$，原始元素 $\alpha \in G$ 以及两个元素 $A = \alpha^a$ 与 $B = \alpha^b$，DHP 问题是寻找群元素 $\alpha^{ab}$

我们考虑 DHP 是在乘法群 $Z_p^*$ 中。攻击者知道高效计算 $Z_p^*$ 中的离散对数，那么他可以解 DHP 并通过下面两个步骤获取到密钥 $k_{AB}$：

通过求解离散对数问题 $a \equiv log_{\alpha}A \ mod \ p$，计算私钥 $a = k{pr，A}$
计算会话密钥 $k_{AB}\equiv B^a \ mod \ p$

如果 $p$ 选的足够大，那么计算离散对数问题是不可能的。因此，现在我们需要确定的是，是否求解 DLP 是解决 DHP 的唯一途径。理论上，是存在其他方法求解 DHP 的。不过，即便我们不能从数学层面上证明，但会假设求解 DLP 问题是求解 DHP 的唯一方法。

因此为了确保实践中 DHKE 的安全性，我们必须确保对应的 DLP 不能被求解，这是通过选择足够大的 $p$ 实现的。

8.5 Elgamal 加密策略

8.5.1 由 Diffie-Hellman 密钥交换到 Elgamal 加密

我们考虑通讯双方，A 与 B，如果 A 希望发送一条加密信息 $x$ 给 B，双方首先需要执行 Diffie-Hellman 密钥交换来得到共享密钥 $k_M$。我们假设大的质数 $p$ 与原始元素 $\alpha$ 已经生成了。A 对消息进行加密 $y \equiv x\cdot k_M \ mod \ p$。

(a) B 选择 $d = k_{pr，B} \in \{2，...，p-2\}$

(b) B 计算 $\beta = k{pub，B} \equiv \alpha^d \ mod \ p$，并将 $\beta$ 给到 A

(d) A 计算 $k_E = k_{pub，A} \equiv \alpha^i \ mod \ p$，并将 $k_E$ 给到 B

(e) A 计算 $k_M \equiv \beta^i \ mod \ p$

(f) B 计算 $k_M \equiv k_E^d \ mod \ p$

(g) A 加密信息 $x \in Z_p^*$，$y \equiv x\cdot k_M \ mod \ p$，并将密文发送给 B

(h) B 解密密文得到 $x \equiv y \cdot k_M^{-1} \ mod \ p$

协议由两个部分组成，经典的 DHKE 算法，以及信息加密与解密步骤。B 计算他的私钥 $d$ 与公钥 $\beta$。这个密钥对并不会变化，可以用来加密任何信息。A 生成一个新的公-私钥对，来加密信息。他的私钥表示为 $i$，公钥表示为 $k_E$，公钥只临时存在，真正使用的密钥是 $k_M$ 用来对信息进行加密。

8.5.2 Elgamal 协议

Elgamal 加密协议

B 选择大质数 $p$，选择原始元素 $\alpha \in Z_p^*$ 或其子群 $Z_p^*$ 的元素，选择 $k_pr = d \in \{2，...，p-2\}$ 计算 $k_{pub} = \beta = \alpha^d \ mod \ p$，并将 $k_{pub} = (p，\alpha，\beta)$ 给到 A
A 选择 $i \in {2，...，p-2}$，计算临时密钥 $k_E \equiv \alpha^i \ mod \ p$ 计算密钥 $k_M \equiv \beta^i \ mod \ p$，并加密信息 $x \in Z_p^*$，$y \equiv x \cdot k_M \ mod \ p$，并将 $(k_E，y)$ 发送给 B
B 计算密钥 $k_M \equiv k_E^d \ mod \ p$ 并解密密文 $x \equiv y \cdot y \cdot k_M^{-1} \ mod \ p$

密文由两个部分组成，临时密钥 $k_E$ 与密文 $y$，因为实际上所有参数位长为 $log_2p$，密文 $(k_E，y)$ 长度是两倍的信息长度。

下面我们证明 Elgamal 协议的正确性：

证明我们必须证明 $k_{pr}(k_E，y)$ 能够得到原始信息 $x$

\[d_{k_{pr}}(k_E，y) \equiv y \cdot (k_M)^{-1} \ mod \ p \\ \equiv [x\cdot k_M]\cdot (k_E^d)^{-1} \ mod \ p \\ \equiv [x\cdot (\alpha^d)^i][(\alpha^i)^d]^{-1} \ mod \ p \\ \equiv x\cdot \alpha^{d\cdot i - d\cdot i} \equiv x \ mod \ p \]

例 8.14 这里例子中，B 计算 Elgamal 密钥 A 加密信息 $x = 26$

B 生成质数 $p = 29$，以及 $\alpha = 2$，选择 $k_{pr，B} = d = 12$ 计算 $\beta = \alpha^d = 7 \ mod \ 29$，并将 $k_{pub，B} = (p，\alpha，\beta)$ 给到 A
A 选择 $i = 5$，计算 $k_E = \alpha^i \equiv 3 \ mod \ 29$，计算 $k_M = \beta^i \equiv 16 \ mod \ 29$，加密 $y = x \cdot k_M \equiv 10 \ mod \ 29$，将 $(y，k_E)$ 发送给 B
B 计算 $k_M = k_E^d \equiv 16 \mod 29$ 解密 $x = y \cdot k_M^{-1} \equiv 10 \cdot 20 \equiv 26 \ mod \ 29$

8.5.3 计算方面

密钥生成 在接收者生成密钥时，必须生成一个质数、计算公钥与私钥。因为 Elgamal 算法也依赖于离散对数问题，因此也需要选择一个比较大的质数 $p$，可以使用质数搜索算法生成这样的质数。私钥需要由真随机数生成，公钥需要一个指数运算，可以使用重复平方乘计算

加密数据 在加密过程中，计算临时密钥与加密密钥以及加密数据，需要进行两次模指运算以及一次模乘运算。涉及的所有操作数位长都是 $log_2p$，为了高效进行指数运算，我们可以使用重复平方乘法，注意到那两次指数运算，是与原文无关的，因此一些应用可以预先计算存储，以备加密时使用

解密数据 解密的第一步是通过指数运算 $k_M = k^d \ mod \ p$，可以使用重复平方乘法，接着计算 $k_M$ 的你，可以使用扩展欧几里得算法。不过，有基于费马小定理捷径，可以将两个步骤合并成一个步骤，从 6.3.4 小节中，有：

\[k_E^{p-1} \equiv 1 \ mod \ p \]

对于所有的 $k_E \in Z_p^*$，我们可以将两个步骤组合：

\[k_M^{-1} \equiv (k_E^d)^{-1} \ mod \ p \\ \equiv (k_E^d)^{-1}k_E^{p-1} \ mod \ p \\ \equiv k_E^{p - d - 1}\ mod \ p \]

这允许我们使用单个指数运算计算 $k_M$ 的逆，之后使用模乘运算进行解密 $x \equiv y \cdot k_M^{-1} \ mod \ p$，这样，解密数据需要的就是一次重复平方乘运算与一次模乘运算。

8.5.4 安全性

被动攻击

从 $p，\alpha，\beta = \alpha^d，k_E = \alpha^i，y = x \cdot \beta^i$ 中恢复出 $x$，这依赖于 Diffie-Hellman 问题的求解，假设攻击者具有解决 DLP 的方法，那么他又两种攻击 Elgamal 算法的方法。

通过 B 的￥ $d$ 恢复 $x$:

\[d = log_{\alpha}\beta \ mod \ p \]
这个步骤解 DLP 问题，如果何理选择参数，那么这个计算将是不可能的。如果攻击者成功计算了这个内容，那么他可以像接收者那样解密出原文：

\[x \equiv y \cdot(k_E^d)^{-1} \ mod \ p \]
另一个方法，不计算 B 的 $d$，攻击者可以尝试恢复发送者 A 的随机指数 $i$：

\[i = log_{\alpha}k \ mod \ p \]
这个步骤需要求解离散对数问题，如果攻击者成功做到了，他可以计算原文：

\[x \equiv y \cdot (\beta^i)^{-1} \ mod \ p \]

主动攻击

像所有的非对称算法中，必须确保公钥是认证的。这意味着加密一方 A 所持有的公钥确实是属于 B 的。如果攻击者企图欺骗 A 他的公钥是 B 的，他可以轻松攻击这个算法。为了防止这个攻击，可以使用证书，这会在第 13 章讨论。

第二个弱点是，Elgamal 加密的中使用的指数 $i$ 不能重复使用，假设 A 使重复在两条信息 $x_1$ 与 $x_2$ 中使用同一个值 $i$，那么 $k_M = \beta^i$ 是相同的，同样的，临时密钥也是相同的，这样就会在通道上发送两条 $(y_1，k_E)$ 与 $y_1，k_E$ 信息，如果攻击者了解了这个情景，并知道第一条信息内容，或可以猜到第一条内容，他科技计算 $k_M = y_1x_1^{-1} \ mod \ p$，并解密 $x_2$：

\[x_2 \equiv y_2k_M^{-1} \ mod \ p \]

另一个针对 Elgamal 的主动攻击是攻击它的可塑性，如果攻击者观测到 $(k_E，y)$，他可以替换为：

\[(k_E，sy) \]

其中 $s$ 为整数，接收者解密：

\[d_{k_{pr}}(k_E，sy) \equiv sy \cdot k_M^{-1} \ mod \ p \\ \equiv s(x\cdot k_M)\cdot k_M^{-1} \ mod \ p \\ \equiv sx \ mod \ p \]

posted @ 2023-03-31 23:42 ArvinDu 阅读(188) 评论(0) 编辑收藏举报

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子群	元素	原始元素
\(H_1\)		\(\alpha = 1\)
\(H_2\)		\(\alpha = 10\)
\(H_3\)		\(\alpha = 3，4，5，9\)

\(\times \ mod \ 11\)	1	3	4	5	9
1	1	3	4	5	9
3	3	9	1	4	5
4	5	1	5	9	3
5	5	4	9	3	1
9	9	5	3	1	4