curve25519-dalek中field reduce原理分析

2023-10-24 15:30

本文主要是介绍curve25519-dalek中field reduce原理分析,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

对于Curve25519,其Field域内的module Fp = 2255-19。
对于64位系统:

/// A `FieldElement51` represents an element of the field
/// \\( \mathbb Z / (2\^{255} - 19)\\).
///
/// In the 64-bit implementation, a `FieldElement` is represented in
/// radix \\(2\^{51}\\) as five `u64`s; the coefficients are allowed to
/// grow up to \\(2\^{54}\\) between reductions modulo \\(p\\).
///
/// # Note
///
/// The `curve25519_dalek::field` module provides a type alias
/// `curve25519_dalek::field::FieldElement` to either `FieldElement51`
/// or `FieldElement2625`.
///
/// The backend-specific type `FieldElement51` should not be used
/// outside of the `curve25519_dalek::field` module.
#[derive(Copy, Clone)]
pub struct FieldElement51(pub (crate) [u64; 5]);

src/backend/serial/u64/field.rs中的reduce函数,是将[u64;5] low-reduce成h, h ∈ [ 0 , 2 ∗ p ) , p = 2 255 − 19 h \in [0, 2*p), p=2^{255}-19 h[0,2p),p=225519。具体的原理如下:

1. field reduce原理分析

如要求某整数 u m o d ( 2 255 − 19 ) u\quad mod \quad (2^{255}-19) umod(225519),可将u整数用多项式做如下表示:
u = ∑ i u i 2 51 i x i , 其 中 , u i ∈ N u=\sum_{i}^{}u_i2^{51i}x^i,其中,u_i \in N u=iui251ixiuiN
设置x=1,通过对u多项式求值即可代表域Fp内的值。
如需求一个值:
a ∈ [ 0 , 2 320 − 1 ] m o d ( 2 255 − 19 ) = ? a\in [0, 2^{320}-1] \quad mod \quad(2^{255}-19)=? a[0,23201]mod(225519)=
在这里插入图片描述
a ∈ [ 0 , 2 320 − 1 ] a\in [0, 2^{320}-1] a[0,23201]以上图表示,同时根据 a i a_i ai分别取相应的 b i , c i b_i,c_i bi,ci:
b i = a i &amp; ( 2 &lt; &lt; 51 − 1 ) , c i = a i &gt; &gt; 51 , 其 中 , c i &lt; = 2 13 b_i=a_i \&amp; (2&lt;&lt;51 -1), c_i=a_i &gt;&gt; 51, 其中,c_i&lt;= 2^{13} bi=ai&(2<<511),ci=ai>>51ci<=213
采用parallel carry-out方式进行,对应有:
在这里插入图片描述
以多项式方式表示时,其中的最高项为:
c 4 ∗ 2 255 ∗ x 5 m o d ( 2 255 − 19 ) c_4*2^{255}*x^5 \quad mod \quad (2^{255}-19) c42255x5mod(225519)
∵ 2 255 ∗ x 5 ≡ 19 m o d ( 2 255 − 19 ) \because 2^{255}*x^5 \equiv 19 \quad mod \quad (2^{255}-19) 2255x519mod(225519)
∴ c 4 ∗ 2 255 ∗ x 5 ≡ c 4 ∗ 19 m o d ( 2 255 − 19 ) \therefore c_4*2^{255}*x^5 \equiv c_4*19 \quad mod \quad (2^{255}-19) c42255x5c419mod(225519)
所以上图可演化为:
在这里插入图片描述
∵ c i &lt; = 2 13 \because c_i&lt;= 2^{13} ci<=213
∵ 2 51 + 2 13 &lt; 2 51 + 2 13 ∗ 19 &lt; 2 51.0000000001 \because 2^{51}+2^{13}&lt;2^{51}+2^{13}*19&lt;2^{51.0000000001} 251+213<251+21319<251.0000000001
∵ 2 ( 51.0000000001 ∗ 5 ) &lt; 2 ∗ ( 2 255 − 19 ) = 2 ∗ p , p = 2 255 − 19 \because 2^{(51.0000000001*5)} &lt; 2*(2^{255}-19)=2*p, p =2^{255}-19 2(51.00000000015)<2(225519)=2p,p=225519

sage: (2^51)+(2^13)*19<2^51.0000000001
True
sage: 2^(51.0000000001*5) < 2*(2^255-19)
True

∴ h 4 = b 4 + c 3 , h 3 = b 3 + c 2 , h 2 = b 2 + c 1 , h 1 = b 1 + c 0 , h 0 = b 0 + c 4 ∗ 19 \therefore h_4=b_4+c_3, h_3=b_3+c_2,h_2=b_2+c_1,h_1=b_1+c_0,h_0=b_0+c_4*19 h4=b4+c3,h3=b3+c2,h2=b2+c1,h1=b1+c0,h0=b0+c419
∴ h = ∑ i = 0 4 h i ∗ 2 ( 51.0000000001 ∗ i ) &lt; 2 ∗ p \therefore h=\sum_{i=0}^{4}h_i*2^{(51.0000000001*i)}&lt;2*p h=i=04hi2(51.0000000001i)<2p
在这里插入图片描述

2. field reduce代码实现

/// Given 64-bit input limbs, reduce to enforce the bound 2^(51 + epsilon).#[inline(always)]fn reduce(mut limbs: [u64; 5]) -> FieldElement51 {const LOW_51_BIT_MASK: u64 = (1u64 << 51) - 1;// Since the input limbs are bounded by 2^64, the biggest// carry-out is bounded by 2^13.//// The biggest carry-in is c4 * 19, resulting in//// 2^51 + 19*2^13 < 2^51.0000000001//// Because we don't need to canonicalize, only to reduce the// limb sizes, it's OK to do a "weak reduction", where we// compute the carry-outs in parallel.let c0 = limbs[0] >> 51;let c1 = limbs[1] >> 51;let c2 = limbs[2] >> 51;let c3 = limbs[3] >> 51;let c4 = limbs[4] >> 51;limbs[0] &= LOW_51_BIT_MASK;limbs[1] &= LOW_51_BIT_MASK;limbs[2] &= LOW_51_BIT_MASK;limbs[3] &= LOW_51_BIT_MASK;limbs[4] &= LOW_51_BIT_MASK;limbs[0] += c4 * 19;limbs[1] += c0;limbs[2] += c1;limbs[3] += c2;limbs[4] += c3;FieldElement51(limbs)}

3. field reduce结果 ∈ [ 0 , 2 ∗ p ) , p = 2 255 − 19 \in [0, 2*p), p=2^{255}-19 [0,2p),p=225519

src/backend/serial/u64/field.rs中的sub,neg等函数都只是调用了reduce函数,将最终的返回结果限定在了 ∈ [ 0 , 2 ∗ p ) , p = 2 255 − 19 \in [0, 2*p), p=2^{255}-19 [0,2p),p=225519,只有调用to_bytes函数,才会将结果限定在 ∈ [ 0 , p ) , p = 2 255 − 19 \in [0, p), p=2^{255}-19 [0,p),p=225519

		// -1 + (2^255 - 19) = 2^255 - 20 = p-1let a: [u8;32] = [0xec, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0x7f];let mut b = FieldElement::from_bytes(&a);println!("zyd-before negate b:{:?}", b);b.conditional_negate(Choice::from(1)); //求倒数,用的是reduce结果,对应结果为:-(p-1) mod p = p+1println!("zyd--b:{:?}", b);println!("zyd--b.to_bytes():{:?}", b.to_bytes()); //to_bytes()函数会对结果进行再次module,(p+1) mod p = 1.

对应输出为:

zyd-before negate b:FieldElement51([2251799813685228, 2251799813685247, 2251799813685247, 2251799813685247, 2251799813685247])
zyd--b:FieldElement51([2251799813685230, 2251799813685247, 2251799813685247, 2251799813685247, 2251799813685247])
zyd--b.to_bytes():[1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]

4. 一些常量值表示

1)-1对应modulo值为2255-19-1=57896044618658097711785492504343953926634992332820282019728792003956564819948,用FieldElement51表示为:

FieldElement51([2251799813685228, 2251799813685247, 2251799813685247, 2251799813685247, 2251799813685247])
sage: 2251799813685228+2251799813685247*(2^51)+2251799813685247*(2^102)+2251799813685247*(2^153)+2251799813685247*(2^204)==2^255-19-1
True

2)0值对应FieldElement51表示为:

FieldElement51([ 0, 0, 0, 0, 0 ])

3)1值对应FieldElement51表示为:

FieldElement51([ 1, 0, 0, 0, 0 ])

4)16*p值对应FieldElement51表示为:

FieldElement51([ 36028797018963664, 36028797018963952, 36028797018963952, 36028797018963952, 36028797018963952 ])
sage: p=2^255-19
sage: 36028797018963664+36028797018963952*(2^51)+36028797018963952*(2^102)+36028
....: 797018963952*(2^153)+36028797018963952*(2^204)==16*p
True
sage:

这篇关于curve25519-dalek中field reduce原理分析的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/276103

相关文章

MySQL中的LENGTH()函数用法详解与实例分析

《MySQL中的LENGTH()函数用法详解与实例分析》MySQLLENGTH()函数用于计算字符串的字节长度,区别于CHAR_LENGTH()的字符长度,适用于多字节字符集(如UTF-8)的数据验证... 目录1. LENGTH()函数的基本语法2. LENGTH()函数的返回值2.1 示例1:计算字符串

Android kotlin中 Channel 和 Flow 的区别和选择使用场景分析

《Androidkotlin中Channel和Flow的区别和选择使用场景分析》Kotlin协程中,Flow是冷数据流,按需触发,适合响应式数据处理;Channel是热数据流,持续发送,支持... 目录一、基本概念界定FlowChannel二、核心特性对比数据生产触发条件生产与消费的关系背压处理机制生命周期

怎样通过分析GC日志来定位Java进程的内存问题

《怎样通过分析GC日志来定位Java进程的内存问题》:本文主要介绍怎样通过分析GC日志来定位Java进程的内存问题,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教... 目录一、GC 日志基础配置1. 启用详细 GC 日志2. 不同收集器的日志格式二、关键指标与分析维度1.

从原理到实战深入理解Java 断言assert

《从原理到实战深入理解Java断言assert》本文深入解析Java断言机制,涵盖语法、工作原理、启用方式及与异常的区别,推荐用于开发阶段的条件检查与状态验证,并强调生产环境应使用参数验证工具类替代... 目录深入理解 Java 断言(assert):从原理到实战引言:为什么需要断言?一、断言基础1.1 语

MySQL中的表连接原理分析

《MySQL中的表连接原理分析》:本文主要介绍MySQL中的表连接原理分析,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教... 目录1、背景2、环境3、表连接原理【1】驱动表和被驱动表【2】内连接【3】外连接【4编程】嵌套循环连接【5】join buffer4、总结1、背景

深度解析Spring AOP @Aspect 原理、实战与最佳实践教程

《深度解析SpringAOP@Aspect原理、实战与最佳实践教程》文章系统讲解了SpringAOP核心概念、实现方式及原理,涵盖横切关注点分离、代理机制(JDK/CGLIB)、切入点类型、性能... 目录1. @ASPect 核心概念1.1 AOP 编程范式1.2 @Aspect 关键特性2. 完整代码实

python中Hash使用场景分析

《python中Hash使用场景分析》Python的hash()函数用于获取对象哈希值,常用于字典和集合,不可变类型可哈希,可变类型不可,常见算法包括除法、乘法、平方取中和随机数哈希,各有优缺点,需根... 目录python中的 Hash除法哈希算法乘法哈希算法平方取中法随机数哈希算法小结在Python中,

Java Stream的distinct去重原理分析

《JavaStream的distinct去重原理分析》Javastream中的distinct方法用于去除流中的重复元素,它返回一个包含过滤后唯一元素的新流,该方法会根据元素的hashcode和eq... 目录一、distinct 的基础用法与核心特性二、distinct 的底层实现原理1. 顺序流中的去重

Spring @Scheduled注解及工作原理

《Spring@Scheduled注解及工作原理》Spring的@Scheduled注解用于标记定时任务,无需额外库,需配置@EnableScheduling,设置fixedRate、fixedDe... 目录1.@Scheduled注解定义2.配置 @Scheduled2.1 开启定时任务支持2.2 创建

关于MyISAM和InnoDB对比分析

《关于MyISAM和InnoDB对比分析》:本文主要介绍关于MyISAM和InnoDB对比分析,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教... 目录开篇:从交通规则看存储引擎选择理解存储引擎的基本概念技术原理对比1. 事务支持:ACID的守护者2. 锁机制:并发控制的艺