Python用扩展欧几里德算法求乘法逆元并用于EIGamal加密算法

Author： Anleeno
发布时间：January 6, 2021
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2170 words
Categories：算法

乘法逆元定义：群G中任意一个元素a，都在G中有唯一的逆元a',具有性质aa'=a'a=e，其中e为群的单位元。
</div>

举例：

> 例如：4关于1模7的乘法逆元为多少？
> 4X≡1 mod 7
> 这个方程等价于求一个X和K，满足
> 4X=7K+1
> 其中X和K都是整数。
> 若ax≡1 mod f, 则称a关于1模f的乘法逆元为x。也可表示为ax≡1(mod f)。
> 当a与f互素时，a关于模f的乘法逆元有解。如果不互素，则无解。如果f为素数，则从1到f-1的任意数都与f互素，即在1到f-1之间都恰好有一个关于模f的乘法逆元。

> 例如，求5关于模14的乘法逆元：
> 14=5x2+4
> 5=4x1+1
> 说明5与14互素，存在5关于14的乘法逆元。
> 1=5-4=5-(14-5x2)=5x3-14
> 因此，5关于模14的乘法逆元为3。

其求法可用[欧几里德算法](https://baike.baidu.com/item/%E6%AC%A7%E5%87%A0%E9%87%8C%E5%BE%B7%E7%AE%97%E6%B3%95)：

> Extended Euclid (d，f) //算法求d关于模f的乘法逆元d-1 ，即 d* d-1 mod f = 1
> 1 。(X1，X2，X3) := (1，0，f)； (Y1，Y2，Y3) := (0，1，d)
> 2。 if (Y3=0) then return d-1 = null //无逆元
> 3。 if (Y3=1) then return d-1 = Y2 //Y2为逆元
> 4。 Q := X3 div Y3 //整除
> 5。 (T1，T2，T3) := (X1 - Q*Y1，X2 - Q*Y2，X3 - Q*Y3)
> 6 。(X1，X2，X3) := (Y1，Y2，Y3)
> 7。 (Y1，Y2，Y3) := (T1，T2，T3)
> 8。 goto 2

常用于加密算法中，如仿射算法。求此算法还可以使用费马小定理,只不过局限性比较大，要求模数是素数，a^(p-1)≡1(mod p)，p要求是素数，那么a^(p-2)就是a的乘法逆元。

```
def EX_GCD(a, b, arr):  # 扩展欧几里得
    if b == 0:
        arr[0] = 1
        arr[1] = 0
        return a
    g = EX_GCD(b, a % b, arr)
    t = arr[0]
    arr[0] = arr[1]
    arr[1] = t - int(a / b) * arr[1]
    return g

def ModReverse(a, n):  # ax=1(mod n) 求a模n的乘法逆x
    arr = [0, 1, ]
    gcd = EX_GCD(a, n, arr)
    if gcd == 1:
        return (arr[0] % n + n) % n
    else:
        return -1

a = 7**79
b = 263
arr = [0, 1, ]
print(a, '模', b, '的乘法逆：', ModReverse(a, b))
print(a, '和', b, '的最大公约数：', EX_GCD(a, b, arr))
print(arr[1], '×', b, '+', arr[0], '×', a, '= 1')
```

`ElGamal算法`，是一种较为常见的加密算法，它是基于1985年提出的公钥密码体制和椭圆曲线加密体系。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。
</div>

> 加密算法：
> `公开全局量`
> q ----- 素数
> a ----- a<q，且a是q的素根
> `Alice生成的密钥`
> 选择私钥$X_A$ -----$X_A<q-1$
> 计算$Y_A$ ----- $Y_A=a^{X_A} mod q$
> 公开密钥 ----- $PU=\{q,a,Y_A\}$
> 私钥 ----- $X_A$
> `Bob用Alice的公钥加密`
> 明文 ----- $M<q$
> 随机选择整数$k$ ----- $k<q$
> 计算$K$ ----- $K=(Y_A)^k mod q$
> 计算$C_1$ ----- $C_1=a^k mod q$
> 计算$C_2$ ----- $C_2=KM mod q$
> 密文 ----- $(C_1,C_2)$
> `用Alice的私钥解密`
> 密文 ----- $(C_1,C_2)$
> 计算$K$ ----- $K=(C_1)^{X_A} mod q$
> 明文 ----- $M=(C_2*K^{—1}) mod q$

Last modification：January 7th, 2021 at 03:59 pm

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One comment

名字的恐怖德莱文
2021年4月27日 00:27

厉害~
都这么厉害！
可否留个QQ~

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Python用扩展欧几里德算法求乘法逆元并用于EIGamal加密算法

Anleeno • 2021 年 01 月 06 日

乘法逆元定义：群G中任意一个元素a，都在G中有唯一的逆元a',具有性质aa'=a'a=e，其中e为群的单位元。
</div>

举例：

> 例如，求5关于模14的乘法逆元：
> 14=5x2+4
> 5=4x1+1
> 说明5与14互素，存在5关于14的乘法逆元。
> 1=5-4=5-(14-5x2)=5x3-14
> 因此，5关于模14的乘法逆元为3。

其求法可用[欧几里德算法](https://baike.baidu.com/item/%E6%AC%A7%E5%87%A0%E9%87%8C%E5%BE%B7%E7%AE%97%E6%B3%95)：

def ModReverse(a, n):  # ax=1(mod n) 求a模n的乘法逆x
    arr = [0, 1, ]
    gcd = EX_GCD(a, n, arr)
    if gcd == 1:
        return (arr[0] % n + n) % n
    else:
        return -1

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