第8讲物联网感知层安全二

y2+axy+by=x3+cx2+dx+e
(4.1)
其中a，b，c，d，e是满足某些简单条件的实数。 定义中包括一个称为无穷点的元素，记为O。
图4.4 是椭圆曲线的两个例子。
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有限域上的椭圆曲线 椭圆曲线
4
P1
2 R Q
-2 -1
01 2 3
-2
- P1 -4
4
P1
2 R Q -2 -1 0 1 2 3
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有限域上的椭圆曲线
例4.13 仍以E0 3 1 (1) 21 22 12 11mod 23
93 6 2 x3 112 3 9 109 17 mod 23 y3 11(3 17) 10 164 20 mod 23
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有限域上的椭圆曲线
椭圆曲线
③ 设Q和R是椭圆曲线上x坐标不同的两点，Q+R的定义 如下： 画一条通过Q、R的直线与椭圆曲线交于P1（这一交 点是惟一的，除非所做的直线是Q点或R点的切线，此时分 别取P1=Q和P1=R）。由Q+R+P1=O得Q+R=-P1。 ④ 点Q的倍数定义如下： 在Q点做椭圆曲线的一条切线， 设切线与椭圆曲线交于点S，定义2Q=Q+Q=-S。类似地可 定义3Q=Q+Q+Q+，…，等。 以上定义的加法具有加法运算的一般性质，如交换律、 结合律等。
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生活中的辛苦阻挠不了我对生活的热 爱。20.12.820.12.8Tuesday, December 08, 2020
则称F为一个域．
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有限域
定义4.3.2 有限个元素构成的域称为有限域．域中元素 的个数称为有限域的阶．
例：当p是素数时，模p剩余类集合
{0,1, 2 , p 1}
构成p阶有限域GF(p) ，这也是最简单的一种有限域．
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有限域
定义4.3.3 设G是群，a是G中的一个元素，如果存在正 整数m，使得am=1，则称a是有限阶的元素，把最小的满 足am=1 的正整数m叫做元素a的阶，用|a|表示。
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有限域上的椭圆曲线 有限域上的椭圆曲线
Ep(a,b)上的加法定义如下：
设P，Q∈Ep(a,b)，则
① P+O=P。
② 如果P=(x,y)，那么(x, y)+(x, -y)=O，即 (x, -y)是P的加 法逆元，表示为-P。
由Ep(a,b)的产生方式知，-P也是Ep(a,b)中的点，如上 例，P=(13,7)∈E23(1,1)，-P=(13, -7)，而-7 mod 23≡16， 所以-P=(13, 16)，也在E23(1,1)中。
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有限域上的椭圆曲线
有限域上的椭圆曲线
一般来说，Ep(a,b)由以下方式产生： ① 对每一x(0≤x<p且x为整数），计算 x3+ax+b(mod p)。 ② 决定①中求得的值在模p下是否有平方根， 如果没有，则曲线上没有与这一x相对应的点；如 果有，则求出两个平方根（y=0 时只有一个平方 根）。
定义4.3.4 q阶有限域中阶为q1的元素称为本原域元素，
简称本原元．
本原元的意义是很明显的．如果q阶有限域中存在本原元a，
则所有非零元构成一个由a生成的q1阶循环群．那么q阶
有限域就可以表示为
{ 0，1，a1，a2，…，aq2}．
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有限域上的椭圆曲线 椭圆曲线
椭圆曲线并非椭圆，之所以称为椭圆曲线是因为 它的曲线方程与计算椭圆周长的方程类似。一般来 讲，椭圆曲线的曲线方程是以下形式的三次方程：
椭圆曲线密码体制
为保证RSA算法的安全性，它的密钥长度需一 再增大，使得它的运算负担越来越大。相比之下， 椭圆曲线密码体制ECC（elliptic curve cryptography）可用短得多的密钥获得同样的安全 性，因此具有广泛的应用前景。ECC已被IEEE公 钥密码标准P1363采用。
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有限域上的椭圆曲线 有限域上的椭圆曲线
密码中普遍采用的是有限域上的椭圆曲线，有限域上 的椭圆曲线是指曲线方程定义式(4.1)中，所有系数都是某 一有限域GF(p)中的元素（其中p为一大素数）。其中最为 常用的是由方程
y2≡x3+ax+b(mod p)
(a,b∈GF(p),4a3+27b2(mod p)≠0) 定义的曲线。
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有限域上的椭圆曲线 有限域上的椭圆曲线
③ 设P=(x1,y1)，Q=(x2,y2)，P≠-Q，则P+Q=(x3,y3) 由以下规则确定：
其中
x3≡λ2-x1-x2(mod p) y3≡λ(x1-x3)-y1(mod p)
y2 y1
x2 x1
3x12
a
2 y1
PQ PQ
明文进行加密； “一次一密”能达到理论上的绝对安全，奠定了流密
码发展的基石； 设计具有良好伪随机性质的密钥流生成器。
RC4
RC4用两步来生成密钥流：
（1）密钥调度算法
可变长度的加密密钥产生密钥流生成器的初始
状态；
（2）伪随机子密钥生成算法
根据初始状态产生密钥流，使之与明文相异或
产生密文。
RC4加密体制
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椭圆曲线离散对数困难问题
定义4.11 设E 是有限域 Z p 上的椭圆曲线，P E ，P 的阶是
满足
nP P P P
n
的最小整数 n ，记为ord (P) ，其中 是无穷远点。
定义4.12 设 p 3是一个素数，E 是有限域Z p 上的椭圆曲线， 设 G是E 的循环子群，P 是G 的一个生成元，Q G 。已知 P,Q ,求满足 nP Q 的唯一整数 n。0 n ord (P) 1 称为椭 圆曲线上的离散对数问题。
RC4
Ron Rivest于1987年设计。在1994年，RC4被发布于 互联网上。
RC4是一些广泛使用的协议和标准的一部分，如WEP 和WPA。以及TLS等。
算法简单，速度快。软件和硬件实现均容易，被广泛 应用。
RC4
对称密钥算法，密钥长度可变，一般为256字节； 流密码，用于密钥生成与明文一样长度的密钥流，对
KEY RC4密钥流发生器
Keystream
Plaintext
Ciphertext
图4-5 RC4加密
Present算法
在CHES2007上，Bogdanov等提出了PRESENT算法， 该算法具有出色的硬件实现性能和简洁的轮函数设计。 PRESENT密码算法与现有的轻量级分组密码算法 TEA、MCRYPTON、HIGHT、SEA和CGEN相比， 有着更简单的硬件实现，因此被称为超轻量级密码算 法。
-2
-4
-P1
(a) y2=x3-x
(b) y2=x3+x+1
图4.4 椭圆曲线的两个例子
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有限域上的椭圆曲线
椭圆曲线
椭圆曲线上的加法运算定义如下： 如果其上的3个点位于同 一直线上，那么它们的和为O。
进一步可如下定义椭圆曲线上的加法律（加法法则）：
① O为加法单位元，即对椭圆曲线上任一点P，有P+O=P。
域
定义4.3.1 若代数系统<F, +, •>的二元运算满足: 1） <F, +>是交换群； 2） <F-{0}, •> 是交换群,其中0是+运算的单位元； 3）乘法在加法+运算上满足分配律，即对于任意a，b，
cF，有
a• (b+c) = a•b+a•c和(b+c) •a=b•a+c•a；
② 设P1=(x,y)是椭圆曲线上的一点, 它的加法逆元定义为P2=P1=(x, -y)。
这是因为P1、P2的连线延长到无穷远时，得到椭圆曲线上的 另一点O，即椭圆曲线上的3点P1、P2，O共线，所以 P1+P2+O=O，P1+P2=O，即P2=-P1。
由O+O=O，还可得O=-O
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SM1算法
SM1对称密码 SM1 算法是分组密码算法，分组长度为128位，
密钥长度都为 128 比特，算法安全保密强度及相 关软硬件实现性能与 AES 相当，算法不公开，仅 以 IP 核的形式存在于芯片中。 采用该算法已经研制了系列芯片、智能 IC 卡、智 能密码钥匙、加密卡、加密机等安全产品，广泛 应用于电子政务、电子商务及国民经济的各个应 用领域（包括国家政务通、警务通等重要领域）。
国家商用密码算法介绍
密码学中应用最为广泛的的三类算法包括对称算 法、非对称算法、杂凑算法。
为了保障商用密码安全，国家商用密码管理办公 室制定了一系列密码标准，包括SSF33、SM1 （SCB2）、SM2、SM3、SM4、SM7、SM9、祖 冲之密码算法那等等。其中SSF33、SM1、SM4、 SM7、祖冲之密码是对称算法；SM2、SM9是非 对称算法；SM3是哈希算法。目前已经公布算法 文本的包括祖冲之序列密码算法、SM2椭圆曲线 公钥密码算法、SM3密码杂凑算法、SM4分组密 码算法等。
SM2算法
SM2椭圆曲线公钥密码算法 SM2算法就是ECC椭圆曲线密码机制，但在签名、
密钥交换方面不同于ECDSA、ECDH等国际标准， 而是采取了更为安全的机制。另外，SM2推荐了 一条256位的曲线作为标准曲线。
SM7算法
SM7对称密码 SM7算法，是一种分组密码算法，分组长度为 128 比特，密钥长度为 128 比特。SM7的算法文本 目前没有公开发布。SM7适用于非接IC卡应用包 括身份识别类应用(门禁卡、工作证、参赛证)，票 务类应用(大型赛事门票、展会门票)，支付与通卡 类应用（积分消费卡、校园一卡通、企业一卡通 、公交一卡通）。