ElGamal加密算法

在密码学中，ElGamal加密算法是一个基于迪菲-赫尔曼密钥交换的非对称加密算法。它在1985年由塔希尔·盖莫尔提出。GnuPG和PGP等很多密码学系统中都应用到了ElGamal算法。

ElGamal加密算法可以定义在任何循环群<math>G</math>上。它的安全性取决于<math>G</math>上的离散对数难题。

算法

ElGamal加密算法由三部分组成：密钥生成、加密和解密。

密钥生成

密钥生成的步骤如下：

• Alice利用生成元<math>g</math>产生一个<math>q\,</math>阶循环群<math>G\,</math>的有效描述。该循环群需要满足一定的安全性质。
• Alice从<math>\{1, \ldots, q-1\}</math>中随机选择一个<math>x</math>。
• Alice计算<math>h := g^x</math>。
• Alice公开<math>h\,</math>以及<math>G, q, g\,</math>的描述作为其公钥，并保留<math>x</math>作为其私钥。私钥必须保密。

加密

使用Alice的公钥<math>(G,q,g,h)</math>向她加密一条消息<math>m</math>的加密算法工作方式如下：

• Bob从<math>\{1, \ldots, q-1\}</math>随机选择一个<math>y</math>，然后计算<math>c_1:=g^y</math>。
• Bob计算共享秘密<math>s:=h^y</math>。
• Bob把他要发送的秘密消息<math>m</math>映射为<math>G</math>上的一个元素<math>m'</math>。
• Bob计算<math>c_2:=m'\cdot s</math>。
• Bob将密文<math>(c_1,c_2)=(g^y, m'\cdot h^y)=(g^y, m'\cdot(g^x)^y)</math>发送给Alice。

值得注意的是，如果一个人知道了<math>m'</math>，那么它很容易就能知道<math>h^y</math>的值。因此对每一条信息都产生一个新的<math>y</math>可以提高安全性。所以<math>y</math>也被称作临时密钥。

解密

利用私钥<math>x</math>对密文<math>(c_1,c_2)</math>进行解密的算法工作方式如下：

• Alice计算共享秘密<math>s:=c_1{}^x</math>
• 然后计算<math>m':=c_2 \cdot s^{-1}</math>，并将其映射回明文<math>m</math>，其中<math>s^{-1}</math>是<math>s</math>在群<math>G</math>上的逆元。（例如：如果<math>G</math>是整数模n乘法群的一个子群，那么逆元就是模逆元）。

解密算法是能够正确解密出明文的，因为

<math> c_2 \cdot s^{-1} = m'\cdot h^y \cdot (g^{xy})^{-1} = m'\cdot g^{xy} \cdot g^{-xy} = m'.</math>

实际使用

ElGamal加密系统通常应用在混合加密系统中。例如：用对称加密体制来加密消息，然后利用ElGamal加密算法传递密钥。这是因为在同等安全等级下，ElGamal加密算法作为一种非对称密码学系统，通常比对称加密体制要慢。对称加密算法的密钥和要传递的消息相比通常要短得多，所以相比之下使用ElGamal加密密钥然后用对称加密来加密任意长度的消息，这样要更快一些。