橢圓曲線的純量乘法

橢圓曲線點的乘法也稱為橢圓曲線的純量乘法，是將橢圓曲線上的一點反覆和自身相加的運算。此運算在橢圓曲線密碼學（ECC）中可以用來產生單向函數。

此條目中將這種乘法用標量乘法來表示，再配合海賽形式的橢圓曲線。此運算也稱為橢圓曲線點的乘法（elliptic curve point multiplication），不過此名稱有時會誤解為二個點之間的乘法（其實是整數純量和點的乘法）。

## 基礎

假定在有限域上定義的曲線E（例如E: y2 = x3 + ax + b），其點乘定義為重覆的進行在曲線上點的加法，表示為nP = P + P + P + … + P，其中n是係數（整數）以及在曲線E上的一點P = (x, y)，這類的曲線稱為魏爾施特拉斯曲線（Weierstrass curve）。

現代橢圓曲線密碼學安全性的基礎是在給定Q和P，以及Q = nP的情形下，若n很大，無法求得n的特性而來（類似其他的迪菲-赫爾曼密鑰交換問題，此問題稱為橢圓曲線離散對數問題）。此原因是因為橢圓曲線上兩點的相加（或是某一個點加上自身）會得到第三點，而這個點的位置和前一點或前二點沒有明確的關係，重覆很多次之後，nP可能會在曲線上的任何位置。在直覺上，橢圓曲線的純量乘法和以下例子類似：假設在圓上選一個點P，再將其角度加上42.57度，所得的點離P會有一些距離，不過不會太遠，不過若加上1000次或1001次的42.57度，需要需比較複雜的運算才能求出所得的點的位置。回到橢圓曲線的純量乘法，若要進行逆運算，給定Q=nP，已知P和Q，要求n，只能一個一個的針對可能的n來檢查，若n的可能範圍很大的話，這在計算上就是不可行的。

## 點運算

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橢圓曲線上的點，一般會定義三種運算：相加、加倍和反相。

### 無窮遠點

無窮遠點是橢圓曲線算術中的單位元。任意點和此點相加，相加前和相加後的結果不變。若無窮遠點加上無窮遠點，結果仍為無窮遠點。

也就是：

$$\begin{align} \mathcal{O} + \mathcal{O} = \mathcal{O}\\ \mathcal{O} + P = P \end{align}$$

無窮遠點也會寫成0.

### 反相

點的反相是指針對某一個點，可以找到另一個點，與其相加後為無窮遠點。

$$\begin{align} P + (-P) = \mathcal{O} \end{align}$$

在橢圓曲線上，一點反相點的x座標會和該點相同，而y座標會為該點座標的負值：

$$\begin{align} (x, y) + (-(x, y)) &= \mathcal{O}\\ (x, y) + (x, -y) &= \mathcal{O}\\ <pre> (x, -y) &= -(x, y) </pre> \end{align}$$

### 點的相加

針對二個相異點P和Q，其加法定義為P和Q所形成的直線，和曲線E交點的反相點R.

$$\begin{align} <pre> P + Q &= -R \\ (x_p, y_p) + (x_q, y_q) &= (x_r, y_r) </pre> \end{align}$$

假設橢圓曲線的方程式是y2 = x3 + ax + b，可以計算得到：

$$\begin{align} <pre> \lambda &= \frac{y_q - y_p}{x_q - x_p} \\ x_r &= \lambda^2 - x_p - x_q \\ y_r &= \lambda(x_p - x_r) - y_p \\ </pre> \end{align}$$

若其中沒有任何一點是無窮遠點，且這些點的x座標都不同，則上式正確。這在橢圓曲線數字簽名算法（ECDSA）上非常重要，因為散列值（hash）有可能為0。

### 點的加倍

假設點P和Q重合（座標相同），其加法類似，但無法依上述方式定義直線，因此使用極限的作法，取曲線E在P點的切線。

計算同上，取導數(dE/dx)/(dE/dy)可得：

$$\lambda = \frac{3x_p^2 + a}{2y_p}$$

其中a是方程式E裡的係數。

## 點乘法

最直接計算點乘法的方式就是反覆的執行加法。不過也有其他更有效率的演算法。

### Double-and-add

最簡單的方式就是double-and-add法，其作法類似模乘冪中的平方求冪。其演演算法如下：

要計算sP，要先將s以二進制表示，其中：

以下是迭代演演算法，其迴圈變數i遞減：

```
   let bits = bit_representation #為s的二進制表示（從MSB到LSB）
   let res = <math>\begin{align}\mathcal{O}\end{align}</math> #無窮遠點
   for bit in bits:
       res = res + res # double
       if bit == 1:            
           res = res + P # add
       i = i - 1
   return res
```

因Double和add的執行時間不同，根據執行時間就可以知道是執行Double或add，間接可以推算d，在資訊安全上，此方法會有計時攻擊的風險。以下的蒙哥馬利階梯（Montgomery Ladder）是可以避免計時攻擊的作法。

以下則是使用遞迴函數的作法：

```
  f(P, d) is
     if d = 0 then
         return 0                         # 已計算完成
     else if d = 1 then
         return P
     else if d mod 2 = 1 then
         return point_add(P, f(P, d - 1)) # 若d為奇數，進行addition
     else
         return f(point_double(P), d/2)   # d為偶數，進行doubling
```

其中f是乘法的函數，P是要乘的座標，d是要加的次數。例如100P可以寫成 2(2P + 2(22(P + 2P)))，需要六個點乘二和二個點加運算，100P等於f(P, 100)。

此一演演算法需要執行log2(d)個運算（點乘二或點加）。有許多演演算法是以此為基礎來進行的修改，例如窗口法、滑動窗口法、NAF、NAF-w、vector chains和蒙哥馬利階梯法。

### 窗口法

此演演算法的窗口法（windowed version）版本可以選擇窗口大小w，再計算所有的$dP$，$d = 0, 1, 2, \dots, 2^w - 1$。演算法會使用的表示法為$d = d_0 + 2^wd_1 + 2^{2w}d_2 + \cdots + 2^{mw}d_m$，其程式是

```
  Q ← 0
  for i from m to 0 do
      Q ← point_double_repeat(Q, w)
      if d<sub>i</sub> &gt; 0 then
          Q ← point_add(Q, d<sub>i</sub>P) # using pre-computed value of d<sub>i</sub>P
  return Q
```

演演算法的複雜度和Double-and-add相同，但其點相加使用的較少（實務上，點相加比點加倍要花時間）。一般來說，會選擇 w 為夠小的值，簡化預運算的步驟。若針對NIST建議的曲線，一般來說$w = 4$會是最好的選擇。n位元整數的複雜度會是$n + 1$個點加倍，$2^w - 2 + \tfrac{n}{w}$個點相加。

### 滑動窗口法

滑動窗口法（Sliding-window method）會在點相加和點加倍之間取捨，計算的表格類似窗口法，不過只計算$dP$， $d = 2^{w-1}, 2^{w-1} + 1, \dots, 2^w - 1$。此方式比較有效率，只計算有設定MSB的那些值。而其演演算法使用原始double-and-add的表示法$d = d_0 + 2d_1 + 2^2d_2 + \cdots + 2^md_m$。

```
  Q ← 0
  for i from m downto 0 do
      if d<sub>i</sub> = 0 then
          Q ← point_double(Q)
      else 
          t ← extract j (up to w − 1) additional bits from d (including d<sub>i</sub>)
          i ← i − j
          if j < w then
              Perform double-and-add using t 
              return Q
          else 
              Q ← point_double_repeat(Q, w)
              Q ← point_add(Q, tP)
  return Q
```

此演演算法的好處是預運算階段的複雜程度是一般窗口法的一半，也將較慢的點相加改為點加倍。實務上，使用窗口法而不使用滑動窗口法的情形不太多。此演算法會使用$w - 1 + n$次點加倍，最多只用$2^{w-1} - 1 + \tfrac{n}{w}$次點加法。

### w-ary非相鄰形式（wNAF）方法

非相鄰形式（NAF）的目的是利用點相減的方式和點相加的方式相同的原理，設法使運算量少於滑動窗口法（頂多也只會和滑動窗口法相同）。被乘數$d$的NAF方式需要先用以下演演算法進行計算

```
   i ← 0
   while (d &gt; 0) do
       if (d mod 2) = 1 then 
           d<sub>i</sub> ← d mods 2<sup>w</sup>
           d ← d − d<sub>i</sub>
       else
           d<sub>i</sub> = 0
       d ← d/2
       i ← i + 1
   return (d<sub>i−1</sub>, d<sub>i-2</sub>, …, d<sub>0</sub>)
```

其中有號餘數函數mods定義如下

```
   if (d mod 2<sup>w</sup>) &gt;= 2<sup>w−1</sup>
       return (d mod 2<sup>w</sup>) − 2<sup>w</sup>
   else
       return d mod 2<sup>w</sup>
```

因此會需要用NAF來進行乘法。此演算法會需要先計算$\lbrace 1, 3, 5, \dots, 2^{w-1} - 1 \rbrace P$（其中$P$是要乘的數）這些點，以及這些點的負值。若是標準的Weierstrass曲線，若$P = \lbrace x, y \rbrace$，可得$-P = \lbrace x, -y \rbrace$。因此負值很容易計算。接下來要計算$dP$的乘法：

```
   Q ← 0
   for j ← i − 1 downto 0 do
       Q ← point_double(Q)
       if (d<sub>j</sub> != 0)
           Q ← point_add(Q, d<sub>j</sub>P)
   return Q
```

wNAF方式可以保證平均來說點相加法的密度會是$\tfrac{1}{w + 1}$（比無號的窗口法好一點），其中的預計算會需要一個點加倍及$2^{w-2} - 1$個點加法。而演演算法剩下的部份需要$n$個點加倍，以及$\tfrac{n}{w + 1}$個點加法。

NAF的一個特性是可以保證每一個非零元素$d_i$之後，至少有$w - 1$個零。其原因是因為演演算法在每次計算mods函數後，會清除數字$d$中，較低的$w$個位元。在每一個非零元素後面，就會有一定數量的零位元，這些零位元可以不用儲存。

已有人發現，若針對OpenSSL進行FLUSH+RELOAD的旁路攻擊，約在進行200次簽章後，即可以利用cache-timing找到完整私鑰。

### 蒙哥馬利階梯法

蒙哥馬利階梯法（Montgomery ladder）會用固定的運算時間來進行點乘法，運算時間只會隨d的長度而變化，不會因為d的各位元內容而變化。這可以抵抗旁路攻擊中的功率攻擊或是計時攻擊。此演演算法的實現方式和double-and-add相同。

```
  R<sub>0</sub> ← 0
  R<sub>1</sub> ← P
  for i from m downto 0 do
      if d<sub>i</sub> = 0 then
          R<sub>1</sub> ← point_add(R<sub>0</sub>, R<sub>1</sub>)
          R<sub>0</sub> ← point_double(R<sub>0</sub>)
      else
          R<sub>0</sub> ← point_add(R<sub>0</sub>, R<sub>1</sub>)
          R<sub>1</sub> ← point_double(R<sub>1</sub>)
  return R<sub>0</sub>
```

此演演算法的速度類似double-and-add，但是在處理d的每一位元時，都會進行點相加以及點加倍。因此演演算法本身不會因為時間或是功率而洩漏d的資料。

不過若利用旁路攻擊中的FLUSH+RELOAD對OpenSSL進行攻擊，已證實只需要經由一次簽名，用cache計時攻擊，以很低的成本得到完整的私鑰。