伽罗华域(Galois Field)上的四则运算

Évariste Galois ，伽罗华(也译作伽瓦罗)，法国数学家，群论的创立者。用群论彻底解决了根式求解代数方程的问题，而且由此发展了一整套关于群和域的理论。

本文介绍伽罗华域，以及在伽罗华域上的四则运算方式。伽罗华域上的四则运算实际上是多项式计算，后文中详细介绍。

一、相关数学概念

1、域

一组元素的集合，以及在集合上的四则运算，构成一个域。其中加法和乘法必须满足交换、结合和分配的规律。加法和乘法具有封闭性，即加法和乘法结果仍然是域中的元素。

域中必须有加法单位元和乘法单位元，且每一个元素都有对应的加法逆元和乘法逆元。但不要求域中的 0有乘法逆元。

2、有限域

仅含有限多个元素的域。因为它由伽罗华所发现，因而又称为伽罗华域。

所以当我们说伽罗华域的时候，就是指有限域。

GF(2w)表示含有2w个元素的有限域。

3、单位元

Identity Element，也叫幺元(么元)，通常使用e来表示单位元。单位元和其他元素结合时，并不会改变那些元素。

对于二元运算，若ae=a，e称为右单位元；若ea=a，e称为左单位元，若ae=e*a=a，则e称为单位元。

4、逆元

对于二元运算，若ab=e，则a称为b的左逆元素，b称为a的右逆元素。若ab=ba=e，则称a为b的逆元，b为a的逆元。

5、本原多项式

域中不可约多项式是不能够进行因子分解的多项式， 本原多项式 (primitive polynomial)是一种特殊的不可约多项式。当一个域上的本原多项式确定了，这个域上的运算也就确定了。本原多项式一般通过查表可得，同一个域往往有多个本原多项式。

通过将域中的元素化为多项式形式，可以将域上的乘法运算转化为普通的多项式乘法再模本原多项式。

二、多项式运算

由于GF(2w)上的四则运算是基于多项式运算的，这里先介绍多项式运算。

多项式一般长这个样子：f(x) = x6 + x^ 4 + x2 + x + 1。

1、多项式加减法

将两个多项式中相同阶数的项系数相加或相减。

例如 (x2 + x ) + (x + 1) = x2 + 2x +1

2、多项式乘法

将其中一个多项式的各项分别与另一个多项式的各项相乘，然后把相同指数的项的系数相加。

例如 (x2 + x) * (x + 1) = x2 * (x + 1) + x * (x + 1) = x3 + x2 + x2 + x

3、多项式除法

使用长除法。例如计算x3-12x2-42，除以x-3。使用长除法计算，商x2-9x-27，余数-123。

4、GF(2w)上的多项式运算

对于GF(2w)上的多项式计算，多项式系数只能取 0或1。(如果是GF(3w)，那么系数可以取 0、 1、 2)

GF(2w)的多项式加法中，合并阶数相同的同类项时，由于0+0=0,1+1=0,0+1=1+0=1，因此系数不是进行加法操作，而是进行异或操作。

GF(2w)的多项式减法等于加法，例如x ^4 – x4就等于x4 + x4。

三、伽罗华域

1、有限域GF(p)：

有限域GF(p)，其中p为素数。GF(p)里面的加法和乘法与一般的加法和乘法差不多，区别是结果需要mod p，以保证结果都是域中的元素。GF(p)的加法和乘法单位元分别是 0和1。

GF(p)加法是(a+b) mod p，乘法是(a*b)mod p。

对于域中的乘法，当p为素数时，才能保证集合中的所有的元素都有乘法逆元(0除外)。即对于域中的任一个元素a，总能在域中找到另外一个元素b，使得a*b mod p 等于1。

说明：假如p等于10，其乘法单位元为1。对于元素2，找不到一个数a，使得2*a mod 10 等于1，即2没有乘法逆元。这时，在域上就不能进行除2运算。

2、有限域GF(2w)：

GF(p)中p必须是一个素数，才能保证集合中的所有元素都有加法和乘法逆元(0除外)。但实际应用中，很多场合需要 0到255这256个数字能组成一个域。但256不是素数，小于256的最大素数为251，如果直接把大于等于251的数截断为250，则会丢失一部分数据。

因此引入了GF(pw)，其中p为素数，通常取p=2。计算机领域中经常使用的是GF(28)，8刚好是一个字节的比特数。为了保证单位元性质，GF(2w)上的加法运算和乘法运算，不再使用一般的加法和乘法，而是使用多项式运算。

四、本原多项式

伽罗华域的元素可以通过该域上的本原多项式生成。通过本原多项式得到的域，其加法单位元都是 0，乘法单位元是1。

以GF(23)为例，指数小于3的多项式共8个： 0， 1， x， x+1， x2， x2+1， x2 + x， x2+x+1。其系数刚好就是000,001, 010, 011, 100, 101, 110, 111，是0 到7这8个数的二进制形式。

GF(23)上有不只一个本原多项式，选一个本原多项式x3+x+1，这8个多项式进行四则运算后 mod (x3+x+1)的结果都是8个之中的某一个。因此这8个多项式构成一个有限域。

对于GF(23)，取素多项式为x3 + x+1，那么多项式x2+x的乘法逆元就是x+1。系数对应的二进制分别为110和011。此时，我们就认为对应的十进制数6和3互为逆元。

部分 GF(2w)域经常使用的本原多项式如下：

通过本原多项式生成元素

设P(x)是GF(2w)上的某一个本原多项式，GF(2w)的元素产生步骤是：

1、给定一个初始集合，包含0,1和元素x，即 {0,1,x}；

2、将这个集合中的最后一个元素，即x，乘以x，如果结果的度大于等于w，则将结果mod P(x)后加入集合；

3、直到集合有2w个元素，此时最后一个元素乘以x再mod P(x)的值等于1。

例如，GF(24)含有16个元素，本原多项式为P(x)=x4+x+1，除了 0、1外，另外14个符号均由本原多项式生成。

注意到x14=x3+1，此时计算x15=x14x=(x3+1)x=x4+x=1，生成结束。

生成元素

多项式表示

二进制表示

数值表示

推导过程

0

0

0000

0

x^0

x^0

0001

1

x^1

x^1

0010

2

x^2

x^2

0100

4

x^3

x^3

1000

8

x^4

x+1

0011

3

x^3*x = x^4 mod P(x) = x+1

x^5

x^2+x

0110

6

x^4*x = (x+1)*x = x^2+x

x^6

x^3+x^2

1100

12

x^7

x^3+x+1

1011

11

x^6*x = (x^3+x^2)*x = x^4 +x^3 mod P(x) = x^3+x+1

x^8

x^2+1

0101

5

x^9

x^3+x

1010

10

x^10

x^2+x+1

0111

7

x^9*x=(x^3+x)*x = x^4+x^2 mod P(x) = x^2+x+1

x^11

x^3+x^2+x

1110

14

x^12

x^3+x^2+x+1

1111

15

x^11*x=(x^3+x^2+x)*x = x^4+x^3+x^2 mod P(x) = x^3+x^2+x+1

x^13

x^3+x^2+1

1101

13

x^12*x=(x^3+x^2+1 )*x = x^4+x^3+x mod P(x)= x^3+1

x^14

x^3+1

1001

9

x^13*x=(x^3+x^2+1)*x = x^4+x^3+x mod P(x) = x^3+1

x^15

1

0001

1

x^14*x = (x^3+1)*x = x^4+x mod P(x) = 1

五、伽罗华域上的运算

加法和减法：

加法和减法就是多项式计算中说的异或运算。

乘法和除法：

伽罗华域上的多项式乘法，其结果需要mod P(x)，可以通过以下方式简化计算。

首先，考虑x8，x8 mod P(x) = P(x) – x8 = x4 + x3 +x2 +1 。

对于一般形式的多项式f(x)=a7x7 + a6x6 + a5x5 + a4x4 + a3x3 + a2x2 + a1x + a0，乘以x得到

xf(x) = (a7x8 + a6x7 + a5x6 + a4x5 + a3x4 + a2x3 + a1x1 + a0x) mod P(x)

这时有两种情况：

1)a7 == 0，此时结果是一个小于指数小于8的多项式，不需要取模计算。

2)a7 == 1，则将x8替换为x4 + x3 + x2 +1，而不用进行除法取模计算，结果为：

xf(x) = (x4 + x3 + x2 +1) + a6x7 + a5x6 + a4x5 + a3x4 + a2x3 + a1x1 + a0x

虽然可以通过替换减少除法计算，但还是过于复杂。尤其是在需要大量运算的场合，比如图像处理。于是牛人提出通过查表来减少计算。

六、查表的原理

首先介绍一个概念，生成元。

生成元是域上的一类特殊元素，生成元的幂可以遍历域上的所有元素。假设g是域GF(2w)上生成元，那么集合 {g0 ，g1 ， ……，g(2w-1) } 包含了域GF(2w)上所有非零元素。在域GF(2w)中2总是生成元。

将生成元应用到多项式中， GF(2w)中的所有多项式都是可以通过多项式生成元g通过幂求得。即域中的任意元素a，都可以表示为a = gk。

GF(2w)是一个有限域，就是元素个数是有限的，但指数k是可以无穷的。所以必然存在循环。这个循环的周期是2w-1(g不能生成多项式 0)。所以当k大于等于2w-1时，gk =gk%(2w-1)。

对于gk = a，有正过程和逆过程。知道指数k求a是正过程，知道值a求指数k是逆过程。

对于乘法，假设a=gn，b=gm。那么ab = gn gm = gn+m。查表的方法就是根据a和b，分别查表得到n和m，然后查表gn+m即可。

因此需要构造正表和反表，在GF(2w)域上分别记为gflog和gfilog。gflog是将二进制形式映射为多项式形式，gfilog是将多项式形式映射为二进制形式。

注意：多项式0 ，是无法用生成元生成的。g0等于多项式1，而不是 0。

根据上文的GF(24)的元素表示，生成gflog表和gfilog表如下：

查表进行乘法和除法运算的例子

在GF(24)域上的乘法和除法，已知2w-1 = 24 -1 = 15：

乘法：

7 * 9 = gfilog[gflog[7] + gflog[9]] = gfilog[10 + 14]

= gfilog[24 mod 15] = gfilog[9] = 10

除法：

13 / 11 = gfilog[gflog[13] - gflog[11]] = gfilog[13 - 7] = gfilog[6] = 12

五、生成GF(2w)gflog表和gfilog表的python代码

# coding=UTF-8# key : value => w : primitive_polynomialprimitive_polynomial_dict = {4: 0b10011, # x**4 + x + 18: (1 << 8) + 0b11101, # x**8 + x**4 + x**3 + x**2 +116: (1 << 16) + (1 << 12) + 0b1011, # x**16 + x**12 + x**3 + x + 132: (1 << 32) + (1 << 22) + 0b111, # x**32 + x**22 + x**2 + x + 164: (1 << 64) + 0b11011 # x**64 + x**4 + x**3 + x + 1}def make_gf_dict(w):gf_element_total_number = 1 << wprimitive_polynomial = primitive_polynomial_dict[w]gfilog = [1] # g(0) = 1for i in xrange(1, gf_element_total_number - 1):temp = gfilog[i - 1] << 1 # g(i) = g(i-1) * gif temp & gf_element_total_number: # if overflow, then mod primitive polynomialtemp ^= primitive_polynomial # mod primitive_polynomial in GF(2**w) == XORgfilog.append(temp)assert (gfilog[gf_element_total_number - 2] << 1) ^ primitive_polynomialgfilog.append(None)gflog = [None] * gf_element_total_numberfor i in xrange(0, gf_element_total_number - 1):gflog[gfilog[i]] = iprint "{:>8}\t{:>8}\t{:>8}".format("i", "gfilog[i]", "gflog[i]")for i in xrange(0, gf_element_total_number):print "{:>8}\t{:>8}\t{:>8}".format(i, gfilog[i], gflog[i])if __name__ == "__main__":make_gf_dict(4)

参考