高性能椭圆曲线加密算法25519优化解析

椭圆曲线密码学是在线安全的核心技术。某机构在其开源密码库AWS-LC中实现了基于curve25519椭圆曲线的x25519（密钥交换）和Ed25519（数字签名）算法。通过结合自动化推理和微架构优化技术，新实现较原有版本获得显著性能提升：

核心技术优化

1. 微架构级优化：

   • x86_64架构：采用MULX/ADCX/ADOX指令并行处理双进位链，性能提升达30%
   • Arm64架构：针对Graviton2/3不同乘法器特性，分别采用Karatsuba减法和标准教科书乘法
   • 三级操作模型优化（域运算→椭圆曲线群运算→顶层运算）

2. 形式化验证：

   • 使用HOL Light定理证明器对s2n-bignum算术库进行机器码级验证
   • 通过CI持续集成确保每次代码变更都通过形式化验证
   • 对CPU指令语义进行模糊测试验证

3. 时序安全：

   • 恒定时序设计确保所有分支路径执行相同指令序列
   • 避免使用数据依赖时序的CPU指令

性能数据

算法	Graviton3提升	Graviton2提升	Ice Lake提升
Ed25519签名	92%	121%	111%
Ed25519验证	28%	43%	40%
x25519密钥交换	131%	97%	111%

应用集成

优化后的算法已集成至多语言绑定环境：

• Java（Amazon Corretto加密提供程序）
• Rust（aws-lc-rs）
• Python标准库密码学模块

该工作同时为后量子密码学混合方案提供了经典算法支撑，相关优化技术可推广至其他密码算法实现。所有代码已在AWS-LC开源库发布。
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