密码学中常用的数学知识 公钥密码体制的基本概念 RSA算法

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1 密码学中常用的数学知识 公钥密码体制的基本概念 RSA算法

2 4.1.1 群、环、域 环<R,+,*>的定义: 群<G,*>的定义: 一些数字组成的集合
群、环、域 *为乘法时，称为乘法群 逆元（a-1） *为加法时，称为加法群 逆元（-a） 群<G,*>的定义: 一些数字组成的集合 一个二元运算，运算结果属于此集合（封闭性） 服从结合律。有单位元，逆元 。 如果是可交换的，则成为Abel群 环<R,+,*>的定义: Abel 群，及一个乘法运算： 满足结合律与加法的分配律 如果加法满足交换律, 则称交换环 例：整数 mod N （for any N ）

3 Galois 域： 域<F,+,*>的定义： <F,+>是Abel加群 环
例： 整数 mod P （ P 为素数） Galois 域： 如果 n是素数 p ，则模运算modulo p 形成 Galois Field modulo p 记为： GF(p)

4 4.1.2 素数和互素数 因子： 对整数 b!=0 及 a , 如果存在整数 m 使得 a=mb,称 b 整除 a, 也称b是a的因子。 记作 b|a 例 1,2,3,4,6,8,12,24 整除 24 素数： 素数: 只有因子 1 和自身 1 是一个平凡素数 例 2,3,5,7 是素数, 4,6,8,9,10 不是

5 200以内的素数： 素数分解： 把整数n写成素数的乘积 分解整数要比乘法困难 整数 n的素数分解是把它写素数的乘积 eg. 91 = 7 × 13 ; 3600 = 24 × 32 × 52

6 互素数： 整数 a, b 互素是指 它们没有除1之外的其它因子。 8 与15 互素 8的因子1,2,4,8 15的因子 1,3,5,15
1 是唯一的公因子 记为：gcd(8,15)=1

7 4.1.3 模运算 设n是一正整数,a是整数,若 a=qn+r, 0≤r<n, 则a mod n=r
模运算 设n是一正整数,a是整数,若 a=qn+r, 0≤r<n, 则a mod n=r 若(a mod n)=(b mod n),称为a,b模n同余， 记为a≡b mod n 称与a模n同余的数的全体为a的同余类，记为[a]，a称为这个同余类的代表元素。 –15

8 同余的性质： 若n|(a-b)，则a≡b mod n (a mod n) ≡(b mod n),则a≡b mod n
a≡b mod n，则b≡a mod n a≡b mod n， b≡c mod n，则a≡c mod n 求余运算a mod n将a映射到集合{0,1,…,n-1},求余运算称为模运算。 模运算的性质 [(a mod n)+(b mod n)] mod n=(a+b) mod n [(a mod n)-(b mod n)] mod n=(a-b) mod n [(a mod n)×(b mod n)] mod n=(a×b) mod n

9 定理:设a∈Zn,gcd(a,n)=1,则a在Zn有逆元。 证明思路： 用反证法证明a和Zn中任何两个不同的数相乘结果都不相同
定义Zn为小于n的所有非负整数集合 Zn={0,1,2,…,n-1} 定理:设a∈Zn,gcd(a,n)=1,则a在Zn有逆元。 证明思路： 用反证法证明a和Zn中任何两个不同的数相乘结果都不相同 从1得出a×Zn=Zn,因此存在x∈Zn,使a×x=1 mod n 设a为素数，Zp中每一个非零元素都与a互素，因此有乘法逆元，有乘法可约律 (a×b)=(a×c) mod n, b=c mod n

10 4.1.4 费尔玛定理和欧拉定理 费尔玛定理： 若p是素数，a是正整数且gcd(a,p)=1，则ap-1≡1 mod p 证明：
费尔玛定理和欧拉定理 费尔玛定理： 若p是素数，a是正整数且gcd(a,p)=1，则ap-1≡1 mod p 证明： 当gcd(a,p)=1,则a×Zp=Zp 。 又因为a×0≡0modp,所以a×(Zp-{0})=Zp-{0} 即：{a mod p,2a mod p,…,(n-1)a mod p} ={1,…,p-1} (a mod p) ×(2a mod p) ×…×(n-1)a mod p=(p-1)!ap-1 mod p 因此：(p-1)! ap-1 mod p =(p-1)!modp (p-1)!与p互素，所以乘法可约律，ap-1=1 mod p

11 欧拉函数 设n为一正整数，小于n且与n互素的正整数的个数称为n的欧拉函数，记为φ(n) 例：Φ(6)=2, Φ(7)=6, Φ(8)=4 显然，若n是素数， Φ(n)=n-1 定理： 若n是两个素数p和q的乘积，则Φ(n)＝ Φ(p) Φ(q)=(p-1)(q-1) 例：21=3×7 ，因此φ(21)= φ(3) × φ(7)=2×6=12 欧拉定理 若a和n互素,则aφ(n)=1 mod n

12 4.1.5 素性检验 爱拉托斯散(Eratosthenes)筛法 定理： 设n是正整数，若对所有满足p≤ 的素数p，都有
素性检验 对给定的数检验其是否为素数 爱拉托斯散(Eratosthenes)筛法 定理： 设n是正整数，若对所有满足p≤ 的素数p，都有 p | n，那么n一定是素数。 若要找出不大于n的所有素数： 先将2到n之间的整数列出，从中删除小于等于 的所有素数的倍数，余下的整数即是所要求的素数。 此方法在n很大时，实际上是不可行的。

13 Miller-Rabin素性概率检测法 引理： 如果p为大于2的素数，则方程x2≡1 mod p的解只有和x≡1和x≡-1 证明:
x2≡1 mod p  x2 -1 ≡0 mod p(x+1)(x-1)≡0 mod p 所以：p|(x+1)或p|(x-1)或p|(x+1)且p|(x-1) 若p|(x+1)且p|(x-1)，则存在k,j，使x+1=kp, x-1=jp 可得：2=(k-j)p, 这是不可能的。 所以： p|(x+1)或p|(x-1) 设： p|(x+1)，则x+1=kp  x=-1modp 设： p|(x-1)，则x-1+1=kp  x=1modp 例：x2=1(mod8) 12=1 mod8 32=1 mod8 52=1 mod8 72=1 mod8 又5=-3 mod8 ， 7=-1 mod8， 所以方程的解为：1，-1，3， 不是素数。 引理的逆命题： 若方程x2≡1 mod p，有唯一解x不为+1或-1，p不是素数。

14 n为待检测数，a为小于n的整数，将n-1表示为二进制形式bkbk-1…b0,d赋初值为1，算法核心如下：
Miller-Rabin素性概率检测法 n为待检测数，a为小于n的整数，将n-1表示为二进制形式bkbk-1…b0,d赋初值为1，算法核心如下： for i=k downto 0 do {xd; d(d×d) mod n; if d=1 and (x≠1)and(x≠n-1) then return False if bi=1 the d(d×a) mod n } if d ≠1 then return False; return True 若返回False,n不是素数,若返回True,有可能是素数。 n-1≡-1 mod n,所以x ≠1和x ≠n-1指x2≡1 mod n 有非±1的根,n不是素数。 For循环结束,有d≡an-1 mod n。由费尔玛定理,若n为素数,d为1。所以d≠1，则d不是素数。

15 4.1.6 欧几里得算法 1. 求两个正整数的最大公因子 2. 两个正整数互素，可以求一个数关于另一个数的乘法逆元
2. 两个正整数互素，可以求一个数关于另一个数的乘法逆元 性质: 对任意非负整数a和正整数b, 有 gcd(a,b)=gcd(b,a mod b) 证明： a=kb+r≡r mod b  a mod b=a-kb 设d是a，b的公因子，即d|a , d|b, 所以d|kb. 由d|a和d|kb，得d|(a mod b)， 故d是b和a mod b的公因子。 a,b以及b,a mod b公因子集合相同，故最大公因子也相同。 gcd(55,22)=gcd(22,11)=gcd(11,0)=11 gcd(11,10)=gcd(10,1)=1

16 2. If Y=0 then return X=gcd(f,d) 3. R=X mod Y 4. X=Y; 5. Y=R 6. Goto 2
gcd(55,22)=gcd(22,11)=gcd(11,0)=11 gcd(11,10)=gcd(10,1)=1 Euclid算法： Euclid(f,d) f>d 1. Xf;Yd; 2. If Y=0 then return X=gcd(f,d) 3. R=X mod Y 4. X=Y; 5. Y=R 6. Goto 2 假定输入是两个正整数

17 若gcd(a,b)=1, b在模a下有乘法逆元(设b<a)。 即存在x<a,bx≡1 mod a
欧几里德算法--求乘法逆元 若gcd(a,b)=1, b在模a下有乘法逆元(设b<a)。 即存在x<a,bx≡1 mod a 思路：求gcd(a,b)，当gcd(a,b)=1时，则返回b的逆元。 整除中的一个论断： 若gcd(a,b)=d，则存在m,n，使得d=ma+nb。 那么当gcd(a,b)=1时，有ma+nb=1， 即m是a模b的逆元，n是b模a的逆元。

18 Extended Euclid(f,d) (f>d) 1.（X1 X2 X3)(1,0,f);(Y1Y2 Y3)(0,1,d);
扩展欧几里德算法： Extended Euclid(f,d) (f>d) 1.（X1 X2 X3)(1,0,f);(Y1Y2 Y3)(0,1,d); 2. If Y3=0, then return X3=gcd(f,d);停止，没有逆元; 3. If Y3=1, then return X3=gcd(f,d);Y2=d-1 mod f; 4. Q=X3 div Y3（整数除）; 5. (T1 T2 T3)(X1-QY1,X2-QY2,X3-QY3); 6. (X1 X2 X3)(Y1Y2 Y3); 7. (Y1Y2 Y3)(T1 T2 T3); 8.Goto 2 求d模f的逆元

19 例：求解 11d (mod51) = 1的步骤。 即求11-1mod51=？
f *X1+ d*X2 =X3 循环次数 Q X1 X2 X3 Y1 Y2 Y3 初值 -- 1 51 11 f *Y1+ d*Y2 =Y3 f *T1+ d*T2 =T3 Extended Euclid(f,d) (f>d) 1.（X1 X2 X3)(1,0,f); (Y1Y2 Y3)(0,1,d); 2. If Y3=0, then return X3=gcd(f,d); 停止，没有逆元; 3. If Y3=1, then return X3=gcd(f,d);Y2=d-1 mod f; 4. Q=X3 div Y3（整数除）; 5. (T1 T2 T3) (X1-QY1,X2-QY2,X3-QY3); 6. (X1 X2 X3)(Y1Y2 Y3); 7. (Y1Y2 Y3)(T1 T2 T3); 8.Goto 2 1 4 1 11 1 - 4 7 2 1 1 - 4 7 -1 5 4 3 1 -1 5 4 2 -9 3 4 1 2 - 9 3 -3 14 1 Q=X3 div Y3 = 51/11 = 4 T1=X1-Q*Y1 = 1- 4*0 = 1 11-1mod51=14