HTT:雙線性對在密碼學中的應用（上）

導?讀

如果關心近年的密碼學成果，可以發現雙線性對作為一個基礎的密碼學工具頻頻出現。

雙線性對是一種二元映射，它作為密碼學算法的構造工具，在各區塊鏈平臺中廣泛應用，比如零知識證明、聚合簽名等技術方案大多基于雙線性對構造得來。

本次將分為上、下兩個篇章講解雙線性對在密碼學中的應用。

本文為上篇入門篇，會從概念介紹、發展歷程、實際應用三個方面展開說明，下篇為進階篇，將從原理層面深入剖析。

雙線性對的研究歷程

▲1946年作為一個數學工具被提出

1946年雙線性對首先被法國數學家Weil提出并成為代數幾何領域重要的概念和研究工具。

在最初的時候，雙線性對的概念并非為了密碼學的研究，甚至Weil在提出雙線性對時現代密碼學還未成為系統的科學。

▲?1996年Menezes、Okamoto和Vanstone提出利用雙線性對將ECDLP問題規約到DLP問題的MOV攻擊

在19年火熱的電影《羅小黑戰記》中，主人公擁有控制自己“領域”的能力。電影中的“領域”指自己專有的一個空間，在此空間中可以主宰一切。

官宣：瑞銀以30億瑞郎收購瑞信:金色財經報道，在瑞士政府的斡旋下，瑞銀同意以30億瑞郎收購競爭對手瑞士信貸，并同意承擔高達54億美元的損失。瑞銀表示，瑞信股東所持22.48股瑞信股票將換得1股瑞銀股票，相當于每股0.76瑞郎，總對價為30億瑞士法郎。該交易預計將于2023年底完成，到2027年，每年將節省約70億美元的成本。瑞士央行表示，將向合并后的銀行提供1000億瑞郎(合1080億美元)的流動性援助。瑞士金融市場監管局(FINMA)表示，兩家銀行的所有業務活動將有可能繼續進行，不受限制或中斷。在瑞士政府提供支持后，瑞信名義價值約160億瑞郎(172億美元)的額外一級資本債券（AT1）將被完全減記。[2023/3/20 13:13:45]

不嚴謹的說，雙線性映射的功能也有幾分相似——雖然攻擊橢圓曲線系統在離散數域解決起來很難，但是如果被映射到特定的擴域從而規約為一般的離散對數問題，解決起來就相對容易。

但與攻擊橢圓曲線系統的目的恰恰相反，MOV最終促進了橢圓曲線密碼學的發展。

這當然也是密碼學家去研究攻擊方法的本意——畢竟攻和防從來都是對立統一的兩個方面而已。

Chainalysis：硅谷銀行崩潰后加密用戶轉向DEX，且DEX上的USDC購買量激增:金色財經報道，硅谷銀行(SVB)的倒閉導致中心化交易所（CEX）資金大量流向去中心化交易所（DEX）。區塊鏈分析公司Chainalysis在3月16日的博客文章中解釋說，當市場動蕩時，中心化交易所的資金外流通常會激增，因為用戶可能擔心在交易所倒閉時無法使用他們的資金。

Chainalysis數據顯示，在硅谷銀行被加利福尼亞監管機構關閉后不久，3月11日，從 CEX到DEX的每小時資金流出量飆升至3億美元以上。去年加密交易所FTX倒閉期間觀察到類似的現象，人們擔心這種蔓延可能會蔓延到其他加密貨幣公司。但來自區塊鏈分析平臺Token Terminal的數據表明，在這兩種情況下，大型DEX的日交易量激增都是短暫的。[2023/3/17 13:09:52]

MOV攻擊并非能作用于全部的橢圓曲線，而是只能對參數滿足一定條件的曲線進行攻擊。這促使人們在選擇橢圓曲線參數時更加謹慎，更加注重抗MOV攻擊。

今天我們再選用橢圓曲線參數時都會考慮避開MOV攻擊的條件從而使所選的參數更安全。

例如國標《SM2橢圓曲線公鑰密碼算法》就充分重視了受到MOV攻擊的可能性，不僅在第一部分《總則》中用附錄A的部分篇幅介紹驗證曲線參抗MOV攻擊的方法，而且也在第五部分《參數定義》中給出了安全曲線的推薦參數。

馬斯克：推特將于本月推出加密私信功能:3月5日消息，馬斯克發布推文表示，目標是在本月晚些時候推出使用任何反應表情符號并加密回復個人私信的功能。[2023/3/5 12:42:58]

▲2000年雙線性對開始在密碼學領域得到重視，成果有基于身份的密碼體制、三方一輪密鑰協商、BLS簽名算法等

基于身份的密碼體制是公鑰密碼學的一個研究方向，其特點是直接用標識用戶身份的字符串作為公鑰。大家熟悉的國密SM9算法就屬于該類算法，這是目前國產密碼算法中唯一一個基于雙線性對的密碼算法。

三方一輪密鑰協商是一種可以在一輪交互內完成三方的密鑰協商的密鑰協商協議，效率高于DH密鑰協商。

傳統的DH密鑰協商可以完成兩兩之間的密鑰協商。雖然能夠通過兩兩之間多輪協商完成三方之間的密鑰協商，但是增加了通信復雜度。

基于雙線性對能夠在三方之間通過一輪通信完成密鑰協商，大大降低了通信復雜度。

BLS簽名是Boneh、Lynn和Shacham三人基于雙線性映射構造的短簽名方案，其特性之一就是能用于構造聚合簽名。

除了上述的代表成果，雙線性對在隱私保護方面、可證明執行、可信計算等方面也有大量成果，例如可信計算組在可信平臺模塊規范中推薦的橢圓曲線直接匿名證明協議，適用于通用問題的零知識證明，intel的可信計算環境SGX以及加強隱私ID等。

LayerZero CEO否認對關鍵可信第三方漏洞的指控:金色財經報道，Nomad 首席技術官 James Prestwich對競爭對手項目 LayerZero 提出了大量指控，聲稱其存在未公開的受信任第三方漏洞。LayerZero 首席執行官 BryanPellegrino 駁回了這些說法，盡管他確實承認該問題可能會影響 LayerZero 上的大多數項目。(The Block)[2023/1/31 11:37:18]

雙線性對的應用

雖然雙線性對有大量的應用案例，但是限于篇幅，本文挑選了三方一輪密鑰交換和SM9數字簽名算法作為例子。

本部分先將算法過程剝離開來，還沒有太多去分析算法的原理，這是因為在不了解雙線性對的前提下理解這些算法是有困難的。

我們建議讀者先簡單閱讀本部分了解算法能實現的功能，然后在閱讀下篇的雙線性對的性質介紹后再回來品味算法的優美。

▲三方一輪密鑰交換

密鑰交換又叫密鑰協商，是一種能夠讓參與者在公共信道上通過交換某些信息來公共建立一個共享密鑰的密碼協議。

最常見的是兩方DH密鑰交換，橢圓曲線群上的DH依據的橢圓曲線群是循環群這個性質。

面臨退市的加密上市礦企Digihost已實現正現金流:11月1日消息，納斯達克上市加密礦企 Digihost 宣布今年 10 月開采了 74.58 BTC，叫去年同期增加了 78%。根據 10 月 31 日的加密貨幣價格，Digihost 現在持有價值約 245 萬美元的比特幣和 129 萬美元的以太坊，以及 342 萬美元現金，每月可以保持良好的現金和加密資產流動性水平且沒有債務。

本月中旬，Digihost 收到納斯達克通知函稱因其交易價格低于 1 美元將面臨退市。[2022/11/1 12:06:22]

如下圖：

1.用戶A生成隨機數a，計算aG，并將aG發送給對方

2.用戶B生成隨機數b，計算bG，并將bG發送給對方

3.A和B利用手中信息分別計算出abG作為協商密鑰，原因是abG=baG

通過上述的DH算法可以輕松地完成兩方的密鑰協商，但是較難滿足需要三方密鑰協商的場景。

利用雙線性對可以僅做一輪通信完成密鑰協商。

如下圖所示：

1.A選擇隨機數a，計算aG，將結果發送給B和C

2.B選擇隨機數b，計算bG，將結果發送給A和C

3.C選擇隨機數c，計算cG，將結果發送給A和B

4.A計算a?(bG,cG)

5.B計算b?(aG,cG)

6.C計算c?(aG,bG)

A、B、C分別計算出的結果就是協商出的密鑰。這個協議是雙線性配對在密碼學研究中的第一次正面應用。

SM9數字簽名算法

SM9標識密碼算法包括數字簽名算法、密鑰協商算法、加解密算法三部分，我們主要來關注數字簽名算法。

不同于傳統簽名算法的由用戶隨機選擇私鑰然后計算得到公鑰的方式，SM9能夠實現用戶指定公鑰，密鑰生成中心通過公鑰計算私鑰。

這樣可以將一些有意義的字符串，例如身份證號碼、郵箱地址等作為用戶公鑰，從而能在公鑰中直接反應出用戶信息，這也是標識密碼的含義。

簽名算法包括參數生成、密鑰生成、簽名和驗簽等幾個步驟。和一般簽名驗簽不同的地方在于，密鑰生成分為主密鑰生成和用戶密鑰生成兩部分，主私鑰由密鑰生成中心保管。

可以看到不論是在三方一輪密鑰協商中，還是在SM9簽名驗簽中，?都扮演了重要的角色。當不知道?是指什么的情況下要理解上面兩個算法是不現實的，而這個映射?也正是本文的核心：雙線性映射。

?的計算是一個計算復雜度較高的操作，我們不打算介紹關于?的原理和細節，讀者只需要了解?的一些屬性就足夠理解上面兩個例子的思想。

因為篇幅原因，雙線性映射的性質將在下篇介紹。在下篇的開始我們就會先幫助讀者理解什么是雙線性，然后緊接著再回顧上面的兩個算法，介紹并分析它們的思想和原理。

更多精彩敬請期待下篇

本文有任何問題歡迎與我們一起探討

名詞解釋

▲?MOV攻擊

又稱MOV規約攻擊，是Menezes、Okamoto和Vanstone三人的論文中提出的針對特殊橢圓曲線離散對數問題的一種有效解法。通過雙線性配對，將橢圓曲線上的離散對數問題規約成為某個乘法群上的離散對數問題，能夠在亞指數步驟中計算ECDLP。

▲?DLP

離散對數問題。例如在整數模11乘法群中容易計算5×5×5×5=9mod11，那么求幾個5相乘的結果是9這個問題就是一個離散對數問題。當模數為很大的質數時，這個問題是困難的。

▲?ECDLP

橢圓曲線離散對數問題。例如已知P、Q是兩個橢圓曲線點，并且4個P相加得到Q，那么已知P和Q求解幾個P相加得到Q的問題就是橢圓曲線離散對數問題。當選擇的曲線滿足一定要求時，該問題是困難的。

參考文獻與推薦閱讀

?cl簽名?

https://www.iacr.org/archive/crypto2004/31520055/cl04.pdf

配對友好的曲線

https://tools.ietf.org/pdf/draft-irtf-cfrg-pairing-friendly-curves-07.pdf

?三方一輪密鑰交換?

https://xueshu.baidu.com/usercenter/paper/show?paperid=5521a92e88e750ae92df7b1cd8287452&site=xueshu_se

?一個關于雙線性對的綜述?

http://jos.org.cn/ch/reader/create_pdf.aspx?file_no=3651&journal_id=jos

?基于bn曲線的雙線性對實現?

https://cryptojedi.org/papers/dclxvi-20100714.pdf

?SM9標識密碼算法GMT0044

http://www.gmbz.org.cn/main/viewfile/20180110024900801385.html

作者簡介

喬沛楊

來自趣鏈科技基礎平臺部

區塊鏈密碼學研究小組

來源：金色財經

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