[發明專利]一種基于四基二進制底層模運算的快速加密系統

有效

• 申請號: 201910548928.6
• 申請日: 2019-06-24
• 公開（公告）號: CN110493003B
• 公開（公告）日: 2021-08-17
• 發明（設計）人: 胡恩;熊曉明;黃宏敏;張明森
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: H04L9/32
• 分類號: H04L9/32;H04L29/06
• 代理公司: 廣東廣信君達律師事務所 44329
• 代理人: 楊曉松

1.一種基于四基二進制底層模運算的快速加密系統，其特征在于，包括用于實現系統的簽名驗簽和加解密功能的協議層，以及用于實現曲線域算術和素數域模運算的運算層，其中：所述的運算層包括標量乘模塊，標量乘模塊上連接有用于進行雜湊運算的SM3模塊、用于產生隨機數的隨機數發生器，標量乘模塊包括點加模塊和倍點模塊，用于實現模逆、模乘和模加減運算；所述的系統工作方式如下：

(1)對于發送方

發送選擇需要使用的功能，如選擇對數據通信進行簽名，則執行步驟10；如選擇對通信數據進行加密，則執行步驟20：

選擇簽名方式的流程如下：

步驟10，發送方將私鑰和待簽名消息輸入系統；

步驟11，系統調用隨機數發生器產生256位的隨機數K；

步驟12，檢測隨機數K是否符合加密要求，即判斷K是否滿足

1≤K≤n-1；如不滿足則通過隨機數發生器重新產生隨機數K；其中，n表示橢圓曲線基點G的階；

步驟13，將符合加密要求的隨機數K發送給標量乘模塊，計算標量乘

[K]G；其中G表示橢圓曲線的基點；同時，發送方需要簽名的消息傳遞至SM3模塊進行雜湊運算；

標量乘模塊運算完畢后返回的結果是一個點的坐標，記為(x1,y1)；SM3模塊運算后返回的是一個比特串u；

步驟14，計算r＝x1 mod n，然后判斷r是否為0，如果為0，則說明隨機數K不符合要求，則重新生成隨機數K并執行步驟12至步驟14；如果r不為0，則說明簽名計算正確；

步驟15，通過標量乘模塊計算s＝K*(u+r*dA)mod n，其中dA表示發送方的私鑰；

步驟16，判斷s是否為0，如果為0則隨機數K仍然不符合要求，重新生成隨機數K并執行步驟12至步驟16；如果s不為0，則表明簽名計算正確，得到簽名數據(r,s)并將簽名數據發送給接收方用于數據驗證；

選擇加密方式的流程如下：

步驟20，發送方將公鑰和待加密的消息輸入系統；

步驟21、步驟22同步驟11、步驟12；

步驟23，將符合加密要求的隨機數K發送給標量乘模塊計算標量乘[K]G；其中G表示橢圓曲線的基點，標量乘計算完畢后得到結果C1＝(x1,y1)，然后繼續計算標量乘[K]PB，其中PB表示公鑰；標量乘[K]PB的結果為一個點的坐標，記為s＝(x2,y2)；

步驟24，計算C2＝M異或x2，其中M表示待加密的消息；然后將(C1,C2)作為密文發送給接收方；

(2)對于接收方

接收方選擇需要使用的功能，如選擇對通信數據進行驗證，則執行步驟30，如選擇對通信數據進行解密，則執行步驟40：

選擇驗證模式的流程如下：

步驟30，接收方將公鑰PA、來自于發送方的簽名數據(r,s)、消息M輸入到系統中；

步驟31，系統判斷簽名數據(r,s)是否合法，即是否滿足1≤r≤n-1，1≤s≤n-1；如r或s任意一個不滿足，則判斷簽名不能通過，并發出錯誤警告；如簽名合法，則進行下一步；

步驟32，將M傳遞給SM3模塊計算雜湊值，同時利用標量乘模塊計算s的逆；計算完成后，得到雜湊值e和逆值u，然后分別計算e*u得到結果t1，計算r*u得到結果t2；

步驟33，將t1、t2傳遞給標量乘模塊，計算標量乘[t1]G和標量乘[t2]PA；將兩個標量乘的結果相加得到結果(x1,y1)，判斷(x1,y1)是否為0，若是，則驗證不通過，發出錯誤警告；若否，則進行下一步；

步驟34，計算R＝x1 mod n，并判斷R與r是否相等，是則驗證通過，系統給出提示“此消息來自目標發送方”；否則驗證失敗，即發出錯誤警告“此消息被破壞，或者來自未知的第三方”；

選擇解密模式的流程如下：

步驟40，接收方將來自于發送方的密文(C1,C2)以及私鑰dB輸入系統；

步驟41，將私鑰dB傳遞給標量乘模塊，計算標量乘[dB]C1，計算結果為一個坐標(x,y)；

步驟42，判斷x，y是否同時為0，如果是則發出提示信息：“解密失敗”，如果否，則計算C2異或x，得到的結果即消息M，將消息M輸出；

所述的標量乘模塊在進行四基二進制模運算的模乘運算中，采用4個256位加法器，兩個移位寄存器，以及若干選擇器；

當計算a*b開始時，乘數b存入寄存器s1中，s1向左移動兩位，通過加法器和選擇器的配合求得2*s1 mod p，p為素數；繼續將結果左移兩位，并且再次通過加法器和選擇器的組合求得4*s1 mod p；通過判斷b，即s1的最高兩位是00,01,10，或者11來確定接下來的加數是0，a，a1或者a2，其中a1＝2a mod p，a2＝3a mod p；得到加法結果后判斷乘數b是否已全部移出寄存器s1，是則返回此時的加法結果，此結果即為a*b的模乘結果，乘法運算完畢；若乘數b仍未完全移出寄存器s1，則繼續下次循環。

2.如權利要求1所述的基于四基二進制底層模運算的快速加密系統，其特征在于，所述的標量乘模塊在進行四基二進制模運算的模逆運算中，采用四個寄存器REG_U，REG_V，REG_G1，REG_G2，兩個加/減法器計算單元DFAS_1、DFAS_2以及控制整個模逆的計算流程控制單元；

模逆運算初始化時，寄存器REG_U，REG_V，REG_G1，REG_G2，分別被賦值操作數A，模數P，0，1，加/減法器DFAS_1主要是用來完成寄存器REG_U和寄存器REG_V內容的減法操作和REG_V內容的取反操作；而DFAS_2主要用來完成寄存器REG_G1，REG_G2內容的減法操作和寄存器REG_G2內容的取模運算；

當控制寄存器響應復位信號時，模數P和操作數A將通過選擇器寄存到寄存器REG_U、REG_V中，寄存器REG_G1和REG_G2將通過選擇器寄存0、1；當控制寄存器響應啟動信號時，首先通過判斷REG_V中的A值是否為偶數，若是則將REG_V向右移動一位，REG_G2向右移動兩位，否則只將REG_G2向右移動一位；繼續判斷REG_V中的值的最低位是否為0，若是則繼續將REG_V向右移動一位，REG_G2向右移動兩位，若不是則利用DAFS_1計算REG_U和REG_V中的差值，將結果寄存在REG_G1中，判斷REG_G1中的數據是否小于0，若是，則通過DAFS_2對REG_G1進行加P操作，若否，則通過DAFS_2計算寄存器REG_G1，REG_G2內容的差值，并將逆值存放于寄存器REG_G1中，返回結束信號，完成模逆運算。