椭圆曲线算法的实现类,国密SM2,Ellipse,公钥,私钥

本文中部分截图来自于《SM2椭圆曲线公钥密码算法》,如有需要,可以联系我,完整源码上传至github,如有需要,也请联系我。

 

由MultiPoint的扩展而来,增加privateKey,basePoint,publicKey,rankOfEllipse,allPoints等私有变量。

增加getPublicKey,setPrivateKey,getAllPointsOnEllipse,getRankOfEllipse等接口。

 

Inv取倒数,原功能改名为extraEuclid(扩展的欧几里得算法),增加AexpB方法(求指数)

 

增加square开平方功能,以及AexpB,AmodB,rankOfNum,checkRankOfNum,getProbPrime等功能,收集在Utils常用工具类中。

 

package cn.com.shfe.sfit.dong;

 

import java.util.ArrayList;

import java.util.List;

/**

 * @ClassName: Ellipse

 * @Description:针对于加密的椭圆曲线,Eq(a,b)由a,b,q三个参数决定

 * privateKey为私钥,basePoint为基点,publicKey为公钥;

 * rankOfBasePoint为基点的阶,rankOfEllipse为Ellipse的阶;

 * multiPoint(k,P)更新私钥和基点,返回公钥;

 * getAllPointsOnEllipse()返回所有平常点;

 * getRankOfBasePoint()返回基点的阶;

 * setPrivateKey(k)设置私钥;

 * setBasePoint(P)设置基点;

 * getPublicKey()返回公钥;

 * @author: dong.yanchao

 * @date: 2018年8月14日 10点42分

 * @Copyright: v2

 */

public class Ellipse {

   //Eq(a,b),椭圆曲线的三个参数

   private int a;

   private int b;

   private int q;

 

   //私钥

   private long privateKey;

   //基点

   private String basePoint;

   //公钥

   private String publicKey;

  

   //基点的阶

   private long rankOfBasePoint;

   //Ellipse的阶

   private long rankOfEllipse;

   //Ellipse上的所有平常点

   private List<String> allPoints;

  

   public Ellipse(int a, int b, int q) {

      this.a = a;

      this.b = b;

      this.q = q;

      this.allPoints = this.getAllPointsOnEllipse();

      this.rankOfEllipse = this.allPoints.size() + 1;

   }

   public int getA() {

      return a;

   }

   public void setA(int a) {

      this.a = a;

   }

   public int getB() {

      return b;

   }

   public void setB(int b) {

      this.b = b;

   }

   public int getQ() {

      return q;

   }

   public void setQ(int q) {

      this.q = q;

   }

   //返回私钥

   public long getPrivateKey() {

      return privateKey;

   }

   //重置私钥

   public void setPrivateKey(long k) {

      this.privateKey = k;

   }

   //返回基点

   public String getBasePoint() {

      return basePoint;

   }

   //重置基点

   public void setBasePoint(String p) {

      basePoint = p;

      this.rankOfBasePoint = getRankOfBasePoint();

   }

   //返回公钥

   public String getPublicKey() {

      return publicKey;

   }

   //返回Ellipse的阶

   public long getRankOfEllipse() {

      return rankOfEllipse;

   }

   //返回所有Ellipse的平常点,不包括无穷远点

   public List<String> getAllPoints() {

      return allPoints;

   }

   public static void main(String[] args) {

//    Ellipse algorithm = new Ellipse(1,1,23);//E23(1,1)

//    String s = "3v10";//基点G(3,10)

//    for (int j = 0; j < 100; j++) {

//       String multiPoint = algorithm.multiPoint(j+1, s);

//       System.out.println(j+1+":"+multiPoint);

//       if(multiPoint.equals("0v0"))break;

//    }

     

//    Ellipse algorithm = new Ellipse(1,1,19);//E19(1,1)

//    String s = "10v2";//基点G(10,2)

//    String multiPoint = algorithm.multiPoint(2,s);

//    System.out.println(multiPoint);

 

//    List<String> allPointsOnEllipse = algorithm.getAllPointsOnEllipse();

//    for (String string : allPointsOnEllipse) {

//       System.out.println(string);

//    }

 

      Ellipse algorithm = new Ellipse(1,1,23);//Eq(a,b)

     System.out.println(algorithm.getAllPoints());//所有平常点

   System.out.println(algorithm.getRankOfEllipse());//Ellipse的阶

      algorithm.setPrivateKey(8);//设置私钥

      algorithm.setBasePoint("3v10");//设置基点

   System.out.println(algorithm.getRankOfBasePoint());//基点的阶

     algorithm.multiPoint(algorithm.getPrivateKey(), algorithm.getBasePoint());

     System.out.println(algorithm.getPublicKey());//返回公钥

椭圆曲线算法的实现类,国密SM2,Ellipse,公钥,私钥(各类功能的运行结果) 

   }

  

   /**

    * @Title: multiPoint

    * @Description:

    * 倍点运算,给定一个点P,按照k的二进制展开进行计算

    * @return: String,"XvY"形式,表示点(x,y)

    */

   public String multiPoint(long k,String P) {

      List<Byte> bins = new ArrayList<Byte>();//k的二进制展开

      if (k == 0)return "0v0";

      while (k != 0) {

         byte tmp = (byte) (k % 2);

         bins.add(tmp);

         k /= 2;

      }

      String Q = "0v0";

      for (int i = bins.size() - 1; i >= 0; i--) {

         Q = doublePoint(Q);//Q=2Q

         if (bins.get(i) == 1)Q = pAddP(Q, P);//Q=Q+P

      }

     

      this.publicKey = Q;

      return Q;

   }

  

   /**

    * @Title: doublePoint

    * @Description: 计算一个点p的2倍

    * @param: p 被计算的点

    * @return: String,"XvY"形式,表示点(x,y)

    */

   public String doublePoint(String p) {

      String[] vp = p.split("v");

      int x1 = Integer.parseInt(vp[0]);

      int y1 = Integer.parseInt(vp[1]);

      if (y1 == 0)return "0v0";//分母为0

     

      long numer = 3 * x1 * x1 + a;//分子

      long denom = 2 * y1;//分母

      denom = inv(denom, q);//计算分母的逆元

      denom = AmodB(denom,q);

      long slope = (long)AmodB(numer*denom,q);

      long x11 = AmodB(slope*slope-2*x1,q);

      int Xr = (int) x11;// 横坐标

      long y11 = AmodB(slope*(x1-Xr)-y1,q);

      int Yr = (int) y11;// 纵坐标

      return Xr + "v" + Yr;// 返回2倍点的新坐标

   }

 

   /**

    * @Title: pAddP

    * @Description: 计算两个不同点相加

    * @param: P1

    * @param: P2

    * @return: String,"XvY"形式,表示点(x,y)

    */

   public String pAddP(String P1, String P2) {

      if (P2.equals(P1)) return doublePoint(P1);// 如果两个点一致,直接调用doublePoint运算

     

      String[] vp = P1.split("v");

      String[] vq = P2.split("v");

      if (vp[0].equals(vq[0]))return "0v0";//x1==x2,不可能

 

      if (P2.equals("0v0"))return P1;

      if (P1.equals("0v0"))return P2;

      //P1和P2全不为0v0,则展开如下计算

      int x1 = Integer.parseInt(vp[0]);

      int y1 = Integer.parseInt(vp[1]);

 

      int x2 = Integer.parseInt(vq[0]);

      int y2 = Integer.parseInt(vq[1]);

 

      long DValueY = AmodB(y2-y1,q);

      long DValueX = AmodB(x2-x1,q);

      DValueX = inv(DValueX, q);//取倒数

      DValueX = AmodB(DValueX,q);

      long slope = AmodB(DValueY*DValueX,q);//斜率

      long xrr = AmodB(slope*slope-x1-x2,q);

     

      int xr = (int) xrr;

      long y11 = AmodB(slope*(x1-xr)-y1,q);

      int yr = (int) y11;

      return xr + "v" + yr;

   }

   /**

    * @Title: inv 取倒数

    * @Description: 计算逆元,理解为在mod r2的基础上,“取倒数”的意思

    * 假设得到的结果为res,则有res*r1 == 1 (mod r2)恒成立

    */

   public long inv(long r1,long r2){

      return extraEuclid(r1,r2,1,0);

//    return AexpB(r1,r2-2);

椭圆曲线算法的实现类,国密SM2,Ellipse,公钥,私钥

   }

   /**

    * @Title: extraEuclid 扩展的欧几里得算法

    */

   public long extraEuclid(long r1, long r2, long x1, long x2) {

      long qr = r1 / r2;

      long r = r1 % r2;

      long x = x1 - qr * x2;

      if (r == 1) return x;

      return extraEuclid(r2, r, x2, x);

   }

   /**

    * @Title: AexpB Fq上的指数运算

    * @Description: 计算a^b的值

    * @return: long ,返回值范围[0,b-1]

    */

   public long AexpB(long g,long e){

      if(AmodB(e,q)==0)return 1l;

      List<Byte> bins = new ArrayList<Byte>();//e的二进制展开

      while (e != 0) {

         byte tmp = (byte) (e % 2);

         bins.add(tmp);

         e /= 2;

      }

      long x = g;

      for (int i = bins.size() - 2; i >= 0; i--) {

         x = AmodB(x*x,q);//x=x^2

         if (bins.get(i) == 1)x = AmodB(g*x,q);//x=g*x

      }

      return x;

   }

   /**

    * @Title: AmodB 整数求模运算

    * @Description: 计算a mod b的值

    * @return: long ,返回值范围[0,b-1]

    */

   public long AmodB(long a, long b) {

      long res = a % b;

      if(res<0)return res+b;

      return res;

   }

  

   /**

    * @Title: getAllPointsOnEllipse 求椭圆曲线上所有的平常点,不包括无穷远点

    * @Description: 平常点(X,Y),X和Y都属于Fp有限域,(X,Y)满足Eq(a,b)方程

    * @return: List<String>,点的集合,每个String采用"XvY"的格式,即平常点(X,Y)

    */

椭圆曲线算法的实现类,国密SM2,Ellipse,公钥,私钥

   public List<String> getAllPointsOnEllipse(){

      List<String> retPoints = new ArrayList<String>();

      for(long X = 0;X<q;X++){

         long A = AmodB(X*X*X+a*X+b,q);

         if(A==0){

            retPoints.add(new String(X+"v0"));

            continue;

         }

         long Y = square(A);

         if(q==Y)continue;

         retPoints.add(new String(X+"v"+Y));

         retPoints.add(new String(X+"v"+(q-Y)));

      }

      return retPoints;

   }

 

   /**

    * @Title: square 整数求平方根的运算

    * @param g 满足[0,q)的整数

    * @Description: ret为g的平方根,有ret*ret=g(mod q)恒成立,若ret成立,则q-ret也成立

    * @return: long ,返回任意一个值,返回值范围[0,q-1],另一个为q-ret;返回q,则代表g不存在平方根

    */

椭圆曲线算法的实现类,国密SM2,Ellipse,公钥,私钥

   public long square(long g){

      if(g<0||g>=q){

         System.err.print("square的参数g应满足[0,q)");

         System.exit(0);

      }

      if(g==0)return 0;

      long u = q/4;

      long ret = AexpB(g,u+1);

      if(AmodB(ret*ret,q)==g)return ret;

      return q;

   }

   /**

    * @Title: getRankOfBasePoint 求基点的阶

    * @Description: 设P为基点,nP=O,则n为P的阶。有限域上P的阶一定存在,可证明

    */

   public long getRankOfBasePoint(){

      long ret = -1L;

      String G = this.basePoint;

      for(long i = 2;;i++){

         G=pAddP(G,this.basePoint);

         if(G.equals("0v0")){

            ret = i;

            break;

         }

      }

      return ret;

   }

  

}

 

 

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