二进制域多项式基表示的模约减运算算法（多项式求余算法）

### 二进制域多项式基表示的模约减运算算法（多项式求余算法） #### 背景介绍 在现代密码学中，特别是针对椭圆曲线加密体系（ECC），二进制域内的多项式基表示及其相关的数学运算扮演着极其重要的角色。模约减运算（也称为求模运算）是此类体系中的一项基础性技术，其目的是确保经过乘法或平方等操作后得到的结果保持在某个特定的次数范围之内。这一技术对于确保椭圆曲线密码系统的高效性和安全性至关重要。 #### 原理概述 模约减运算的核心在于通过多项式的长除法来减少多项式的次数，使其不超过一个预定的最大值 _m_。具体来说，给定一个次数为 _i_ 的多项式 _c(x)_ 和一个不可约多项式 _f(x)_ ，模约减的目标是通过一系列的运算将 _c(x)_ 的次数降至低于 _m_ 。该过程通常可以表示为： \[ c(x) \leftarrow c(x) + f(x) \cdot x^{(i-m)} \] 其中 _i <= 2m-2_。此过程重复进行，直到 _c(x)_ 的次数小于 _m_ 为止。 #### 技术细节 **存储表示**: 在实际的计算机实现中，不可约多项式 _f(x)_ 通常是以系数序列的形式存储为二进制比特串。这意味着 _f(x)_ 可以通过简单的位移操作来实现乘以 _x^n_ 的效果，从而简化了模约减运算的实现。 **预处理**: 为了提高效率，可以预先计算出 _f(x)_ 与不同幂次的 _x_ 的乘积，并存储起来。例如，如果二进制比特串的位数为 _w_ ，则可以预先计算出 _f(x) \cdot x^j_ （其中 _j = 0, 1, ..., w-1_ ）的值。这一步骤可以显著减少后续计算过程中所需的位移操作。 **算法流程**: 1. **预处理阶段**: - 对于给定的 _f(x)_ ，预计算 _f(x) \cdot x^j_ (j=0,1,...,w-1)，这一步可以只计算一次并重复利用。 2. **模约减阶段**: - 从高次向低次逐位扫描多项式 _c(x)_ ，当遇到最高次项为1时，执行模约减操作。 - 具体地，对于当前最高次项 _i_ ，计算 _j=i-m_ ，然后将预先计算好的 _f(x) \cdot x^j_ 加到 _c(x)_ 上以消除最高次项。 - 这个过程重复进行，直到 _c(x)_ 的次数低于 _m_ 。 #### 示例解析 假设 _c(x)=110011101_ ，_f(x)=100101_ ，_m=5_ ，且比特串的位数 _w=1_ 。 1. **初始化**: - _c(x)=110011101_ - _i=8_ ，此时 _c[8]=1_ ，_j=8-5=3_ 2. **第一次模约减**: - 将 _f(x)_ 左移3位得到 _f(x) \cdot x^3 = 100101000_ ，然后执行异或操作得到 _c(x)=110011101+100101000=010110101_ 。 3. **第二次模约减**: - _i=7_ ，此时 _c[7]=1_ ，_j=7-5=2_ - 将 _f(x)_ 左移2位得到 _f(x) \cdot x^2 = 010010100_ ，执行异或操作得到 _c(x)=010110101+010010100=000100001_ 。 4. **后续步骤**: - 继续扫描，直至 _c(x)_ 的次数低于 _m_ 。 - 最终结果为 _c(x)=000000100_ 。 #### 结论 通过对上述算法的理解和应用，我们可以有效地在椭圆曲线加密系统中实现高效的模约减运算。这种运算不仅能够确保计算结果符合预设的多项式次数限制，还能通过预处理技术大幅提高计算效率，从而为实际应用提供了强大的支持。