Elgamal加密算法和数字签名

简述：ElGamal公钥密码体制是由 T.ElGamal于 1985年提出的,直到现在仍然是一个安全性能良好的公钥密码体制。该算法既能用于数据加密也能用于数字签名,其安全性依赖于计算有限域上离散对数这一难题。下面详细介绍该算法。

1.背景

ElGamal公钥密码体制是由 T.ElGamal于 1985年提出的,与 Diffie-Hellman密钥分配体制密切相关。ElGamal密码体系应用于一些技术标准中，如数字签名标准(DSS)和 S/MIME电子邮件标准。直到现在仍然是一个安全性能良好的公钥密码体制。该算法既能用于数据加密也能用于数字签名,其安全性依赖于计算有限域上离散对数这一难题。Elgamal加密方案可以视为DHKE协议的拓展，无容置疑，其安全性也是基于离散函数问题和Diffie_Hellman问题的难度。

在对称密钥加解密，在他们进行任何加密之前，双方必须要拥有一个秘密的key。一直以来，密钥的分发一直存在很多问题，因为密钥分配涉及到面对面的见面，可信中介的使用，或者是通过一个加密的渠道发送key。通过加密渠道发送key取决于这个加密渠道的安全性。Diffie-Hellman密钥交换方案提供了实际中密钥分配问题的解决方案，即它允许双方通过不安全的信道进行交流，得到一个共同密钥。该实验使用python3.8实现了Elgamal加密算法和数字签名。

2.主要算法

2.1

Diffie-Hellman密钥交换算法

图一.DH密钥交换算法流程图

1.Alice和Bob交换了各自公钥后，计算出公共密钥(DH算法)，就可以用同一个密钥进行加密和解密。
2.Diffie-Hellman密钥交换的安全性建立在下述事实之上:求关于素数的模素数幂运算相对容易,而计算离散对数却非常困难;对于大素数,求离散对数被认为是不可行的。

3.例：输入一个质数，作为Alice和Bob的公钥：7

取原根为： 3

Alice随机产生的私钥： 3

A计算出的公钥YA，传递给B： 6

Bob随机产生的私钥： 1

B计算出的公钥YB，传递给A： 3

A获取的共享密钥： 6

B获取的共享密钥： 6

2.2

Elgamal加密的基本原理

该加密算法可以分为以下几个步骤：

1.选取一个大素数q和q的一个原根a。

2.Alice将选取一个私钥Xa，计算Ya=a^Xa mod q.{q，a，Ya}将作为公钥传递给Bob

3.Bob获取公钥后，选取自己的私钥Xb，计算：

K=Ya^Xb mod q,

C1=a^Xb mod q.

K是双方的公共密钥，用来加解密明文M。密文C2=M*K mod q.

C1传递给Alice，是获取K的媒介。

1.Alice获取Bob的密文(C1,C2)后，开始解密。

K=C1^Xa mod q

M=C2*K-1 mod q

解密完成。

2.3

在有限域Zq中求取指定元素乘法逆元。

欧几里得算法用于求取整数a,b的最大公因数gcd(a,b)，基于gcd(a,b)=gcd(b,a mod b)成立。拓展的欧几里得算法用于求取a*x+b*y=gcd(a,b)的整数解(x,y)。

实验代码：

def extendgcd(a,b):            #返回一个集合：(x,y,d)满足ax+by=d

if b == 0:

return (1,0,a)

else:

(x,y,d)=extendgcd(b,a%b)

x,y=y,(x-(a//b)*y)#x-(a//b)*y即为x mod y

return (x,y,d)

当算法进行到最后一步，即a=d，b=0时，必然有(x,y)=(1,0)满足a*1+b*0=d。此即为回溯的起始点。

考察回溯过程中上下两层的关系。有：

a * x1 + b * y1 = gcd(a,b)
b * x2 + (a%b) * y2 = gcd(b,a%b)

# d= gcd(a,b) = gcd(b,a%b) 算法中每一步返回值都满足d=ax+by

得：a * x1 + b * y1 = b * x2 + (a%b) * y2

其中a%b换为a-(a/b)*b。
得：a * x1 + b * y1 = b * x2 + (a - (a / b) * b) * y2

=b * (x2 - (a / b) * y2) + a * y2

=a * y2 + b * (x2 - (a / b) * y2)

得到：

X1=y2, y1=(x2 - (a / b) * y2)

得到方程b * x2 + (a%b) * y2 = g(b,a%b) 的解x2, y2，就能得到方程a * x1 + b * y1 = g(a,b) 的解x1,y1。

在Elgamal算法中，拓展欧几里得算法用于求取密钥K的关于模φ(n)的逆元K0。

即令

K*K0 mod q=1，求K0。

令

K*x+q*y=gcd(K，q)=1#K与q互质

该式正是拓展欧几里得算法公式。求取x。

等式两边同时模q，得K*x mod φ(n)=1。

即x就是我们要求的K模q的逆元K0。

2.4Elgamal数字签名的基本原理

1.生成密钥

同ElGamal 加密方案一样,ElGamal 数字签名方案的基本元素是素数q和α,其中α是q的原根。用户Alice选取私钥Xa，1<Xa<q-1。计算Ya=a^Xa mod q，公钥为{q, a, Ya}

2.签名与验证

数字签名的步骤：

1.Alice选取随机密钥K，K满足1<K<q-1,且gcd(K,q-1)=1。

2.计算r=a^K mod q.

3.计算K-1 mod q-1.

4.计算s=(m-Xa*r)*K-1 mod q-1.

5.返回签名(r,s)

签名验证步骤：

Bob现在收到了Alice的消息m，公钥(q, a, Ya)和签名(r,s)。

1.计算V1=a^m mod q.

2.计算V2=(Ya^r)*(S1^S2) mod q.

若V1=V2，说明该签名合法，消息确是Alice所发。

3.算法实现

点击查看代码

点击查看代码

'''
实现环境：python 3.8
使用库：  random
'''
#3.1加密算法实现：
import random as rd
def sushu(num):#判断素数
    judge=1
    for x in range(2,num):
        if num%x==0:
            judge=0
            return False
    if judge==1:
        return True
def getsushu():#生成大质数
    while True:
        x=rd.randint(50000,100000)
        if sushu(x)==True:
            return x
def fun0(a,b):#辗转相除法
    if a%b==0:
        return b
    else:
        return fun0(b,a%b)
def extendgcd(a,b):#返回一个集合：(x,y,d)满足ax+by=d
    if b == 0:
        return (1,0,a)
    else:
        (x,y,d)=extendgcd(b,a%b)
        x,y=y,(x-(a//b)*y)#x-(a//b)*y即为x mod y
        return (x,y,d)

def Ord(n):#求原根
    result=[]
    for x in range(1,n):
        if pow(x,n-1,n)==1:
            result.append(x)
            for i in range(1,n-1):
                if pow(x,i,n)==1:
                    result.remove(x)
                    break
            if len(result)!=0:
                return result

def get_KPB(q,a):
    XA=rd.randint(2,q-2)
    YA=pow(a,XA,q)
    return {'q':q,'a':a,'YA':YA},XA
def encrypt(text,KAB):
    k=rd.randint(2,KAB['q'])
    K=pow(KAB['YA'],k,KAB['q'])#一次性密钥，用完即毁
    C1=pow(KAB['a'],k,KAB['q'])
    C2=pow(K*text,1,KAB['q'])
    return [C1,C2]
def decrypt(miwen,XA,q):
    C1=miwen[0]
    C2=miwen[1]
    K=pow(C1,XA,q)
    K0=extendgcd(K,q)[0] if extendgcd(K,q)[0]>0 else extendgcd(K,q)[0]+q
    M=pow(C2*K0,1,q)
    return M
def change0(text):#字符串转utf-8
    return list(map(ord,text))
def change1(alist):#utf-8转字符串
    result = ''
    for x in alist:
        result += chr(x)
    return result

if __name__ == '__main__':
    q=getsushu()
    print('随机生成的素数为：',q)
    a=Ord(q)[0]
    print('选取的本原根为：',a)
    KAB,XA=get_KPB(q,a)
    print('生成的公钥为：',KAB)
    text=input('输入待加密明文：')
    temp=change0(text)
    mlist=[]
    for x in temp:
        miwen=encrypt(x,KAB)
        mlist.append(miwen)
    print('密文列表：',mlist)
    wlist=[]
    for x in mlist:
        wlist.append(decrypt(x,XA,q))
print('解密后明文：',change1(wlist))

#3.2数字签名实现：
import elgamal加密 as el
import random as rd

def get_KPB(q,a):
    XA=rd.randint(2,q-2)
    print('XA(d)=',XA)
    YA=pow(a,XA,q)
    return {'q':q,'a':a,'YA':YA},XA
#q，a，YA是公钥，XA是私钥

def sig(text,KAB,XA):
    ke=0
    while True:
        k = rd.randint(2,KAB['q']- 2)
        if el.fun0(k,(KAB['q']-1))==1:
            ke=k
            break

    r=pow(KAB['a'],ke,KAB['q'])
    ke0 = el.extendgcd(ke,KAB['q']-1)[0] if el.extendgcd(ke,KAB['q']-1)[0]>0 else el.extendgcd(ke,KAB['q']-1)[0] +(KAB['q']-1)
    s=pow((text-XA*r)*ke0,1,(KAB['q']-1))
    return [r,s]

def ver(text,sign,KAB):
    r=sign[0]
    s=sign[1]
    t=pow((KAB['YA']**r)*(r**s),1,KAB['q'])
    print('对每一段签名进行验证：t=',t,end='')
    print('; a**m mod q=',pow(KAB['a'],text,KAB['q']))
    if t==pow(KAB['a'],text,KAB['q']):
        return True
    else:
        return False

if __name__ == '__main__':
    print('该程序实现Elgamal数字签名：')
    q=el.getsushu()
    print('选取的大素数q为：',q)
    a=el.Ord(q)[0]
    print('选取的本原根a为：',a)
    KAB,XA=get_KPB(q,a)
    print('公钥为：',KAB)
    text=input('输入待签名原文：')
    text=el.change0(text)
    print('将原文转为utf8编码：',text)
    sign=[]#签名列表
    for x in text:
        sign.append(sig(x, KAB, XA))
    print('签名为：',sign)

    answer=False
    for x in sign:
        answer=ver(text[sign.index(x)],x,KAB)
    print(answer)

3.1Elgamal加密算法测试

随机生成的素数为： 68993

选取的本原根为： 3

生成的公钥为： {'q': 68993, 'a': 3, 'YA': 8845}

输入待加密明文：nuistisouruniversity

密文列表： [[16888, 18105], [35921, 23717], [6908, 23122], [36150, 54825], [56786, 53807], [30866, 53053], [41182, 20569], [21660, 13487], [58789, 58315], [27149, 59733], [64748, 66959], [7238, 20154], [52728, 38058], [16732, 870], [41589, 7571], [30510, 39857], [35682, 6061], [44380, 53045], [26560, 7106], [6173, 39758]]

解密后明文： nuistisouruniversity

3.2Elgamal数字签名测试

该程序实现Elgamal数字签名：

选取的大素数q为： 71129

选取的本原根a为： 3

XA(d)= 69878

公钥为： {'q': 71129, 'a': 3, 'YA': 39879}

输入待签名原文：nuistisouruniversity

将原文转为utf8编码： [110, 117, 105, 115, 116, 105, 115, 111, 117, 114, 117, 110, 105, 118, 101, 114, 115, 105, 116, 121]

签名为： [[56796, 68014], [8258, 2747], [60548, 36193], [16302, 23267], [57639, 12898], [6678, 12877], [38448, 33657], [23709, 23941], [3104, 61397], [16734, 62], [70552, 25995], [53287, 11700], [48957, 30813], [57255, 56036], [10789, 44621], [45145, 21420], [16890, 4095], [11339, 6305], [45804, 56644], [26456, 11289]]

对每一段签名进行验证：t= 34761; a**m mod q= 34761

对每一段签名进行验证：t= 56535; a**m mod q= 56535

对每一段签名进行验证：t= 6290; a**m mod q= 6290

对每一段签名进行验证：t= 53701; a**m mod q= 53701

对每一段签名进行验证：t= 18845; a**m mod q= 18845

对每一段签名进行验证：t= 6290; a**m mod q= 6290

对每一段签名进行验证：t= 53701; a**m mod q= 53701

对每一段签名进行验证：t= 33154; a**m mod q= 33154

对每一段签名进行验证：t= 56535; a**m mod q= 56535

对每一段签名进行验证：t= 41610; a**m mod q= 41610

对每一段签名进行验证：t= 56535; a**m mod q= 56535

对每一段签名进行验证：t= 34761; a**m mod q= 34761

对每一段签名进行验证：t= 6290; a**m mod q= 6290

对每一段签名进行验证：t= 27347; a**m mod q= 27347

对每一段签名进行验证：t= 28178; a**m mod q= 28178

对每一段签名进行验证：t= 41610; a**m mod q= 41610

对每一段签名进行验证：t= 53701; a**m mod q= 53701

对每一段签名进行验证：t= 6290; a**m mod q= 6290

对每一段签名进行验证：t= 18845; a**m mod q= 18845

对每一段签名进行验证：t= 27079; a**m mod q= 27079

True

4.总结

Elgamal公钥密码体制既能用于数据加密也能用于数字签名。其中的区别在于：信息发送方可以用公钥加密，接收方用自己的私钥解密。信息发送方用自己的私钥为消息签名，接收方则用公钥进行验证。
ElGamal加密算法产生的密文长度是明文的两倍。使得通信的信息量增大。同时Elgamal加密算法一个最大的特点是在加密过程中进行随机方式的加密方法，这种方法有着很好的抗攻击性。

待改进的地方还有很多，比如素数随机产生的算法，求原根的算法等。