用C语言实现椭圆曲线加密算法

以下是一个简单的示例程序，实现了椭圆曲线加密算法的加密和解密操作。该程序使用了GMP库进行大数运算，需要先安装GMP库才能编译运行。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <gmp.h>

#define MAX_DIGITS 1000  // 大数的最大位数

// 椭圆曲线参数
const char *p_str = "115792089237316195423570985008687907853269984665640564039457584007908834671663";
const char *a_str = "0";
const char *b_str = "7";
const char *gx_str = "55066263022277343669578718895168534326250603453777594175500187360389116729240";
const char *gy_str = "32670510020758816978083085130507043184471273380659243275938904335757337482424";
const char *n_str = "115792089237316195423570985008687907852837564279074904382605163141518161494337";

mpz_t p, a, b, gx, gy, n;  // 椭圆曲线参数

// 初始化椭圆曲线参数
void init_curve_params()
{
    mpz_init_set_str(p, p_str, 10);
    mpz_init_set_str(a, a_str, 10);
    mpz_init_set_str(b, b_str, 10);
    mpz_init_set_str(gx, gx_str, 10);
    mpz_init_set_str(gy, gy_str, 10);
    mpz_init_set_str(n, n_str, 10);
}

// 生成随机数
void gen_random(mpz_t r, mpz_t max)
{
    mpz_t rand_num;
    gmp_randstate_t state;
    gmp_randinit_default(state);
    mpz_init(rand_num);
    mpz_urandomm(rand_num, state, max);
    mpz_set(r, rand_num);
    mpz_clear(rand_num);
    gmp_randclear(state);
}

// 大数加法
void mpz_add_mod(mpz_t res, mpz_t a, mpz_t b, mpz_t mod)
{
    mpz_t sum;
    mpz_init(sum);
    mpz_add(sum, a, b);
    mpz_mod(res, sum, mod);
    mpz_clear(sum);
}

// 大数减法
void mpz_sub_mod(mpz_t res, mpz_t a, mpz_t b, mpz_t mod)
{
    mpz_t diff;
    mpz_init(diff);
    mpz_sub(diff, a, b);
    mpz_mod(res, diff, mod);
    mpz_clear(diff);
}

// 大数乘法
void mpz_mul_mod(mpz_t res, mpz_t a, mpz_t b, mpz_t mod)
{
    mpz_t product;
    mpz_init(product);
    mpz_mul(product, a, b);
    mpz_mod(res, product, mod);
    mpz_clear(product);
}

// 大数幂运算
void mpz_pow_mod(mpz_t res, mpz_t base, mpz_t exp, mpz_t mod)
{
    mpz_t result, tmp;
    mpz_init_set_ui(result, 1);
    mpz_init(tmp);

    while (mpz_cmp_ui(exp, 0) > 0) {
        if (mpz_odd_p(exp)) {
            mpz_mul_mod(result, result, base, mod);
        }
        mpz_fdiv_q_2exp(exp, exp, 1);
        mpz_mul_mod(tmp, base, base, mod);
        mpz_set(base, tmp);
    }

    mpz_set(res, result);
    mpz_clear(result);
    mpz_clear(tmp);
}

// 计算椭圆曲线上的点
void ecc_point(mpz_t x3, mpz_t y3, mpz_t x1, mpz_t y1, mpz_t x2, mpz_t y2)
{
    mpz_t slope, tmp1, tmp2;
    mpz_init(slope);
    mpz_init(tmp1);
    mpz_init(tmp2);

    if (mpz_cmp(x1, x2) == 0 && mpz_cmp(y1, y2) == 0) {
        // P + P
        mpz_mul(tmp1, x1, x1);
        mpz_mul_ui(tmp2, tmp1, 3);
        mpz_add(tmp2, tmp2, a);
        mpz_mul_ui(tmp1, y1, 2);
        mpz_invert(tmp1, tmp1, p);
        mpz_mul(slope, tmp1, tmp2);
    } else {
        // P + Q
        mpz_sub(tmp1, y2, y1);
        mpz_sub(tmp2, x2, x1);
        mpz_invert(tmp2, tmp2, p);
        mpz_mul(slope, tmp1, tmp2);
    }

    // 计算新点的坐标
    mpz_mul(tmp1, slope, slope);
    mpz_sub(tmp1, tmp1, x1);
    mpz_sub(tmp1, tmp1, x2);
    mpz_mod(x3, tmp1, p);

    mpz_sub(tmp1, x1, x3);
    mpz_mul(tmp1, tmp1, slope);
    mpz_sub(tmp1, tmp1, y1);
    mpz_mod(y3, tmp1, p);

    mpz_clear(slope);
    mpz_clear(tmp1);
    mpz_clear(tmp2);
}

// 椭圆曲线点加密
void ecc_encrypt(mpz_t x, mpz_t y, mpz_t k, mpz_t m)
{
    mpz_t px, py, kx, ky, rx, ry;
    mpz_init(px);
    mpz_init(py);
    mpz_init(kx);
    mpz_init(ky);
    mpz_init(rx);
    mpz_init(ry);

    // 生成随机数k
    gen_random(k, n);

    // 计算kG
    mpz_set(kx, gx);
    mpz_set(ky, gy);
    for (int i = mpz_sizeinbase(k, 2) - 2; i >= 0; i--) {
        ecc_point(rx, ry, kx, ky, kx, ky);
        if (mpz_tstbit(k, i)) {
            ecc_point(kx, ky, rx, ry, gx, gy);
        } else {
            mpz_set(kx, rx);
            mpz_set(ky, ry);
        }
    }

    // 计算mP
    mpz_set(px, x);
    mpz_set(py, y);
    for (int i = mpz_sizeinbase(k, 2) - 2; i >= 0; i--) {
        ecc_point(rx, ry, px, py, px, py);
        if (mpz_tstbit(k, i)) {
            ecc_point(px, py, rx, ry, x, y);
        } else {
            mpz_set(px, rx);
            mpz_set(py, ry);
        }
    }

    // 将加密结果输出到控制台
    gmp_printf("Encrypted value: (%Zd, %Zd)\n", px, py);

    mpz_clear(px);
    mpz_clear(py);
    mpz_clear(kx);
    mpz_clear(ky);
    mpz_clear(rx);
    mpz_clear(ry);
}

// 椭圆曲线点解密
void ecc_decrypt(mpz_t x, mpz_t y, mpz_t d, mpz_t px, mpz_t py)
{
    mpz_t kx, ky, rx, ry;
    mpz_init(kx);
    mpz_init(ky);
    mpz_init(rx);
    mpz_init(ry);

    // 计算dP
    mpz_set(kx, px);
    mpz_set(ky, py);
    for (int i = mpz_sizeinbase(d, 2) - 2; i >= 0; i--) {
        ecc_point(rx, ry, kx, ky, kx, ky);
        if (mpz_tstbit(d, i)) {
            ecc_point(kx, ky, rx, ry, px, py);
        } else {
            mpz_set(kx, rx);
            mpz_set(ky, ry);
        }
    }

    // 将解密结果输出到控制台
    gmp_printf("Decrypted value: (%Zd, %Zd)\n", kx, ky);

    mpz_clear(kx);
    mpz_clear(ky);
    mpz_clear(rx);
    mpz_clear(ry);
}

int main()
{
    mpz_t k, m, px, py, d;
    mpz_init(k);
    mpz_init(m);
    mpz_init(px);
    mpz_init(py);
    mpz_init(d);

    // 初始化椭圆曲线参数
    init_curve_params();

    // 加密明文
    mpz_set_str(m, "1234567890", 10);  // 明文为1234567890
    ecc_encrypt(px, py, k, m);

    // 解密密文
    mpz_set_str(d, "1234567890123456789012345678901234567890", 10);  // 私钥为1234567890123456789012345678901234567890
    ecc_decrypt(gx, gy, d, px, py);

    mpz_clear(k);
    mpz_clear(m);
    mpz_clear(px);
    mpz_clear(py);
    mpz_clear(d);

    return 0;
}

需要注意的是，该程序只是一个简单的示例，没有进行任何异常处理和错误检查，实际使用时需要仔细考虑各种边界情况。