【CTF基础】有限域椭圆曲线定义与计算方式
定义与基础运算
有限域椭圆曲线定义
Ep(a, b)表示椭圆曲线方程y**2 = x**3 + a*x + b，在有限域Fp中，表示所有在同余意义上满足该方程的(x, y)点，例如下图：（图片来自网络）
对椭圆曲线E23(1, 1)，点P(3, 10)满足y**2 = 100 = 31 = x**3 + x + 1 (mod 23)，故点P(3, 10)在曲线上
有限域椭圆曲线计算关系
椭圆曲线上两点P(x1, y1)和Q(x2, y2)的计算关系如下：
(1) -P：-P = (x1, -y1) = (x1, p-y1)
(2) P+Q：首先需要计算参数k，定义为：
当P=Q时，k = (3*x1**2+a) / (2*y1) = (3*x1**2+a) * inv((2*y1), p) (mod p)
当P!=Q时，k = (y2-y1) / (x2-x1) = (y2-y1) * inv((x2-x1), p) (mod p)
然后计算x3, y3满足
x3 = k2 - x1 - x2 (mod p)
y3 = k * (x1 - x3) - y1 (mod p)
定义为P(x1, y1) + Q(x2, y2) = R(x3, y3)
例题：
已知椭圆曲线E23(1, 1)上两点P(3, 10)，Q(9, 7)，求(1) -P，(2)P+Q，(3)2P
解答：
(1) -P = (3, -10) (mod 23) = (3, 13)
(2) k = (7-10) * inv((9-3), 23) (mod 23) = (-3) * 4 (mod 23) = 11
x3 = k2 - x1 - x2 (mod p) = 109 (mod 23) = 17
y3 = k * (x1 - x3) - y1 (mod p) = 89 (mod 23) = 20，P + Q = (17, 20)
(3) k = (3*3**2+1) * inv((2*10), 23) (mod 23) = 5 * 15 (mod 23) = 6
x3 = k2 - x1 - x2 (mod p) = 30 (mod 23) = 7
y3 = k * (x1 - x3) - y1 (mod p) =-34 (mod 23) = 12，2P = (7, 12)
有限域椭圆曲线的阶
接下来定义有限域椭圆曲线的阶。对于曲线上一点P，若存在最小的正整数n，使得nP = O（无穷远点），则称n为P的阶。例如，在曲线E23(1, 1)中，点P(3, 13)可计算的27P = (3, -13) = -P，因此28P = O，P的阶为28。所有形如kP的点构成了一个循环阿贝尔群，其阶数为29，其中生成元为P，如下图所示：（图片来自网络）
可见这些点分布是杂乱无章的，利用这一性质诞生出椭圆曲线加密的算法
有限域椭圆曲线加密算法
考虑K = kG，其中K、G为椭圆曲线Ep(a, b)上的点，n为G的阶（即nG = O），k为小于n的整数。根据加法法则，给定k、G计算K很容易；但反过来给定K、G，计算k则非常困难。实际使用中，p与n都会相当大，因此把n个解点逐一算出来是不可能的。上述描述中，称G为基点，k为私有密钥，K为公开密钥。通信算法如下：
- 1.Alice选定一条椭圆曲线E，并取椭圆曲线上一点作为基点G 假设选定E29(4,20)，基点G(13,23) , 基点G的阶数n=37
- 2.Alice选择一个私有密钥k（k
- 3.Alice将E和点K、G传给Bob
- 4.Bob收到信息后，将待传输的明文编码到上的一点M（编码方法略），并产生一个随机整数r（r
- 5.Bob计算点C1=M+rK和C2=rG
C1 = M + 6K = M + 6 * 25 * G = M + 2G = (3,28) + (27,27) = (6,12)
C2 = 6G = (5,7) - 6.Bob将C1、C2传给Alice
- 7.Alice收到信息后，计算C1-kC2，结果就是点M
C1 - kC2 = (6,12) - 25C2 = (6,12) - 25 * (5,7)
= (6,12) - (27,27) = (6,12) + (27,2) = (3,28)
可以这样做的原因是：
C1 - kC2 = M + rK - krG = M + rkG - krG = M
通常将Fp上的一条椭圆曲线描述为T=(p,a,b,G,n,h)。其中p、a、b确定一条椭圆曲线；G为基点；n为点G的阶；h是椭圆曲线上所有点的个数m与n相除的商的整数部分。
例题：
已知椭圆曲线加密Ep(a,b)参数为
p = 15424654874903，a = 16546484，b = 4548674875，
G(6478678675,5636379357093)，私钥为k = 546768，求公钥K(x,y)
解答：
主要功能代码部分见下：
#!/usr/bin/python
#encoding=utf-8
from gmpy2 import invert
def ECCnegative(x, y, p):
return x, p-y
def ECCadd(x1, y1, x2, y2, p, a):
if(x1==x2):
if((y1+y2)%p==0):
return -1, -1 # infinity return
elif(y1!=y2):
print ("Input Error, Please check the input!")
return -2, -2 # error input return
else:
k = ((3 * x1 * x1 + a) * invert(2 * y1, p)) % p
x3 = (k * k - x1 - x2) % p
y3 = (k * (x1 - x3) - y1) % p
return int(x3), int(y3)
else:
k = ((y2 - y1) * invert(x2 - x1, p))%p
x3 = (k * k - x1 - x2) % p
y3 = (k * (x1 - x3) - y1) % p
return int(x3), int(y3)
def ECCmul(k, x, y, p, a):
tempx, tempy = -1, -1
nowx, nowy = x, y
while(k != 0):
mark = k & 1
k = k >> 1
if(mark == 1):
if(tempx == -1):
tempx, tempy = nowx, nowy
else:
tempx, tempy = ECCadd(tempx, tempy, nowx, nowy, p, a)
nowx, nowy = ECCadd(nowx, nowy, nowx, nowy, p, a)
return tempx, tempy
结果为(13957031351290, 5520194834100)
（备注：本题为XUSTCTF2016原题，网上部分公开的代码是错误的，因为里边一个写法问题，导致and判断被当成了与运算，如下所示：
print (-1<0 & -1<0) False（代码中写法）
print (-1<0 and -1<0) True（正确写法）
在xctf平台刷题的时候请注意需要填写错误答案）