Kryptologie/Chinesischer Restsatz


Einleitung

Bevor wir die Korrektheit der RSA-Verschlüsselungsverfahrens zeigen können, benötigen wir neben dem Satz von Euler noch den chinesischen Restsatz. Mit diesem werden wir dort für die zwei die Kongruenzen   und   zeigen, dass diese gelten, wenn   und der Satz von Euler somit nicht anwendbar ist[1][2]. Wir werden Satz von Euler jedoch nutzen können, um den chinesischen Restsatz zu beweisen[3]. Den Abschnitt Finden einer Lösung werden wir benötigen, sobald wir uns mit Angriffsszenarien auf das RSA-Verschlüsselungsverfahren beschäftigen[4].

Chinesischer Restsatz

Chinesischer Restsatz

Teilerfremdheit und Kongruenz
Teilerfremdheit
Zwei ganze Zahlen   und  , wobei mindestens einer der beiden Zahlen ungleich Null ist,

heißen teilerfremd, wenn  [5]. Betrachten wir mehr als zwei Zahlen, dann

nennen wir diese paarweise teilerfremd, wenn je zwei beliebige von diesen Zahlen zueinander

teilerfremd sind[6][5].

Kongruenz
Seien   und  , dann gilt  [7].

Seien   paarweise teilerfremd in  ,   und  .

Dann existiert eine Lösung  , sodass für jedes   die Kongruenz   gilt.

Die Lösung ist eindeutig   mit  [3].

Bemerkung: Bevor wir den chinesischen Restsatz beweisen können, benötigen wir den nun folgenden Hilfssatz.

Hilfssatz zum chinesischen Restsatz

Seien  .

Es gilt   genau dann, wenn   und  [8].

Beweis Hilfssatz zum chinesischen Restsatz

Hinrichtung

Größte gemeinsame Teiler
Größte gemeinsame Teiler
Seien  , wobei mindestens eine der beiden Zahlen ungleich Null.

Wir bezeichnen   mit   als den größten gemeinsamen

Teiler der Zahlen   und  , falls gilt:

 :   und  

und

 : Für alle   mit   und  [9].

Voraussetzung

Seien   und  

Zu zeigen

  und  

Beweis

Sei  .

Wir definieren   und somit gilt nach Definition     und  .

Da  , gilt auch   und somit ist  .

Da nach Voraussetzung jedoch  , muss wegen   auch   sein.

Man kann nun ein   definieren und auf analoge Weise begründen, dass  .

Rückrichtung

Größte gemeinsame Teiler, Satz Primteiler und

Satz 2 Eigenschaften von Primzahlen

Größte gemeinsame Teiler
Seien  , wobei mindestens eine der beiden Zahlen ungleich Null.

Wir bezeichnen   mit   als den größten gemeinsamen

Teiler der Zahlen   und  , falls gilt:

 :   und  

und

 : Für alle   mit   und  [9].

Satz Primteiler
Sei   mit  , dann hat   einen Primteiler, d.h. einen Teiler, der gleichzeitig eine Primzahl ist[10].
Satz 2 Eigenschaften von Primzahlen
Seien   prim und   mit  , dann gilt   oder  [11].

Voraussetzung

Seien  ,   und  

Zu zeigen

 

Beweis

Wir zeigen   durch Widerspruch.

Seien   und   und wir nehmen an, dass   mit  .

Da   und   muss   einen Primfaktor   nach dem Satz Primteiler besitzen mit   (wegen  ).

Wie wir bereits in Satz 2 Eigenschaften von Primzahlen gezeigt haben, folgt   oder  .

Wenn   gelten würde, dann wäre  , da   wegen   nach der Definition des   gilt.

Dies ist ein Widerspruch zur Voraussetzung  .

Analog gilt, unter der Annahme  ,   und erhalten einen Widerspruch zur Voraussetzung  .

Wir haben also gezeigt, dass   gelten muss. Somit ist  [8]

Beweis Chinesischer Restsatz

Voraussetzungen

Teilerfremdheit, Kongruenz, Hilfssatz zum chinesischen Restsatz

und Satz von Euler

Teilerfremdheit
Zwei ganze Zahlen   und  , wobei mindestens einer der beiden Zahlen ungleich Null ist,

heißen teilerfremd, wenn  [5]. Betrachten wir mehr als zwei Zahlen, dann

nennen wir diese paarweise teilerfremd, wenn je zwei beliebige von diesen Zahlen zueinander

teilerfremd sind[6][5].

Kongruenz
Seien   und  , dann gilt  [7].
Hilfssatz zum chinesischen Restsatz
Seien für   genau dann  , wenn   und  [8].
Satz von Euler
Seien   und  , dann gilt  [12][13].

Seien   paarweise teilerfremd und   mit je  .

Zu zeigen

Das System aus den Kongruenzen

 

 

 

hat eine Lösung   und alle   mit   sind ebenfalls Lösungen der Kongruenz

Beweis

Wir zeigen zunächst, dass wenn man   und   mit   definiert,

dann gilt für  genau

  mit  .

Betrachten wir hierfür   mit  .

Da   und  , kann   nicht aus dem Produkt gekürzt werden und somit gilt

 .

Es gilt also auch   im Restklassenring  

Es sind daher alle Summanden von

 

Es sind alle Summanden Null, bis auf den Summanden   und man kann schreiben

  mit  .

Da nach Voraussetzung   paarweise teilerfremd sind, gilt   mit  .

Nach Hilfssatz zum chinesischen Restsatz ist auch  .

Somit sind die Voraussetzungen für den Satz von Euler erfüllt und wir können diesen anwenden:

  mit  .

Wir können die Kongruenz   nutzen, um die Kongruenz   zu vereinfachen und erhalten:

  mit  .

Somit ist   eine Lösung des Systems der Kongruenzen[14].

Nun müssen wir noch die Eindeutigkeit   zeigen:

Angenommen es gibt eine weitere Lösung   des Systems der Kongruenzen, dann gilt

Transitivität, Kongruenz und Teilerfremdheit
Transitivität
Seien   und  . Wenn   und  , dann gilt

 [15].

Kongruenz
Seien   und  , dann gilt  [7].
Teilerfremdheit
Zwei ganze Zahlen   und  , wobei mindestens einer der beiden Zahlen ungleich Null ist,

heißen teilerfremd, wenn  [5]. Betrachten wir mehr als zwei Zahlen, dann

nennen wir diese paarweise teilerfremd, wenn je zwei beliebige von diesen Zahlen zueinander

teilerfremd sind[6][16].

 .

Da jedoch auch  , folgt aus der Transitivität der Kongruenz

 .

Nun gilt nach Definition der Kongruenz für alle  

 .

Wegen   paarweise teilerfremd in  , gilt sogar

  mit  .

Nach Definition der Kongruenz gilt also

  .

Die Lösung ist eindeutig  [14][3]

Finden einer Lösung

Teilerfremdheit und Erweiterte euklidische Algorithmus
Teilerfremdheit
Zwei ganze Zahlen   und  , wobei mindestens einer der beiden Zahlen ungleich Null ist,

heißen teilerfremd, wenn  [5]. Betrachten wir mehr als zwei Zahlen, dann

nennen wir diese paarweise teilerfremd, wenn je zwei beliebige von diesen Zahlen zueinander

teilerfremd sind[6][16].

Erweiterte euklidische Algorithmus
Der erweiterte euklidische Algorithmus wird auf zwei Zahlen   angewandt und besteht aus zwei Teilen:
  1. Berechnung des   (auch als euklidischer Algorithmus bekannt[17]),
  2. Berechnung zweier ganzer Zahlen   und  , welche die Gleichung   erfüllen[18].

Eine Lösung   kann wie folgt ermittelt werden: Für jedes   sind die Zahlen   und   teilerfremd, also kann man z. B. mit dem erweiterten euklidischen Algorithmus zwei ganze Zahlen   und   finden, so dass

 .

Setze  , dann gilt

 , wegen  ,
  und analog zur Argumentation im Beweis.

Die Zahl

 

ist dann eine Lösung der simultanen Kongruenz[19]. Wir können dies nutzen, um in einer anderen Lerneinheit einen Angriff auf eine Anwendungssituation des RSA-Algorithmus durchzuführen.

Beispiel

Wir betrachten folgendes System:

 

 

 

Da   und  , können wir den chinesischen Restsatz anwenden:

Wir stellen die Gleichungen aus dem Abschnitt Finden einer Lösung auf:

 , da  

 , da  

 , da  

Erweiterte euklidische Algorithmus
Erweiterte euklidische Algorithmus
Der erweiterte euklidische Algorithmus wird auf zwei Zahlen   angewandt und besteht aus zwei Teilen:
  1. Berechnung des   (auch als euklidischer Algorithmus bekannt[17]),
  2. Berechnung zweier ganzer Zahlen   und  , welche die Gleichung   erfüllen[18].

Nun wenden wir den erweiterten euklidischen Algorithmus an (siehe Lernaufgabe) und erhalten

Zu  :

 ,   und  


Zu  :

 ,   und  


Zu  :

 ,   und  

Nun können wir   berechnen:

 .

Zur Veranschaulichung führen wir nun noch die Probe durch:

 , wegen  ,

 , wegen  ,

 , wegen  .

Lernaufgabe

Aufgabe

Berechnen Sie mit dem erweiterten euklidischen Algorithmus   und   mit   für das Beispiel zum chinesischen Restsatz, also

 ,

 

und

 .

Erweiterte euklidische Algorithmus
Erweiterte euklidische Algorithmus
Der erweiterte euklidische Algorithmus wird auf zwei Zahlen   angewandt und besteht aus zwei Teilen:
  1. Berechnung des   (auch als euklidischer Algorithmus bekannt[17]),
  2. Berechnung zweier ganzer Zahlen   und  , welche die Gleichung   erfüllen[18].
Lösung
Zu  :

 

 

 

 , wegen  

 

 

 


Zu  :

 

 

 


Zu  :

 

 

 

Lernempfehlung

Kursübersicht
Übergeordnete Lerneinheit
8: Korrektheit des RSA-Verschlüsselungsverfahrens
Vorherige Lerneinheit Aktuelle Lerneinheit Empfohlene Lerneinheit
8.1: Satz von Euler 8.2: Chinesischer Restsatz 8: Korrektheit des RSA-Verschlüsselungsverfahrens

Literatur

  1. Beweisarchiv: Kryptografie: Kryptosysteme: Korrektheit des RSA-Kryptosystems. (16. Juni 2013). Wikibooks, Die freie Bibliothek. Abgerufen am 10. Januar 2020, 12:20 von https://de.wikibooks.org/w/index.php?title=Beweisarchiv:_Kryptografie:_Kryptosysteme:_Korrektheit_des_RSA-Kryptosystems&oldid=674922. (Formulierung verändert)
  2. Rivest, R. L., Shamir, A., & Adleman, L. (1978). A method for obtaining digital signatures and public-key cryptosystems. Communications of the ACM, 21(2) (S. 120–126). S. 123.
  3. a b c Shoup, V. (2008). A Computational Introduction to Number Theory and Algebra (2. Aufl.). S. 23.
  4. Buchmann, J. (2016). Einführung in die Kryptographie (6. Aufl.). Springer. S. 175.
  5. a b c d e f Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Heldermann Verlag. S. 26.
  6. a b c d Seite „Teilerfremdheit“. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 26. September 2019, 13:33 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Teilerfremdheit&oldid=192615323 (Abgerufen: 10. Januar 2020, 13:56 UTC; Formulierung verändert)
  7. a b c Buchmann, J. (2016). Einführung in die Kryptographie (6. Aufl.). Berlin, Heidelberg: Springer. S. 37.
  8. a b c Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Heldermann Verlag. S. 146.
  9. a b Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Lemgo: Heldermann Verlag. S. 24.
  10. Buchmann, J. (2016). Einführung in die Kryptographie (6. Aufl.). Berlin, Heidelberg: Springer. S. 10.
  11. Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Lemgo: Heldermann Verlag. S. 48.
  12. „Satz von Euler“. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 27. März 2019, 10:16 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Satz_von_Euler&oldid=186980132 (Abgerufen: 25. November 2019, 10:25 UTC; Formulierung verändert)
  13. Euler, L. (1763). Theoremata arithmetica nova methodo demonstrata. 8 (S. 74–104). S. 102.
  14. a b Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Heldermann Verlag. S. 154f.
  15. Reiss, K., & Schmieder, G. (2014). Basiswissen Zahlentheorie: Eine Einführung in Zahlen und Zahlbereiche (3. Aufl.). Springer Spektrum. S. 157.
  16. a b Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Lemgo: Heldermann Verlag. S. 26.
  17. a b c Lehman, E., Leighton, T., & Meyer, A. R. (2010). Mathematics for computer science. Technical report, 2006. Lecture notes. S. 249.
  18. a b c Kurzweil, H. (2008). Endliche Körper: Verstehen, rechnen, anwenden (2., überarb. Aufl). Springer. S. 57.
  19. Seite „Chinesischer Restsatz“. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 11. November 2019, 11:56 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Chinesischer_Restsatz&oldid=193949389 (Abgerufen: 23. Januar 2020, 14:56 UTC)