32比特分組長(zhǎng)度的輕量級(jí)加密解密方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及信息安全技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，本發(fā)明設(shè)及一種32比特分組長(zhǎng)度的 輕量級(jí)加密解密方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著信息技術(shù)的發(fā)展，信息安全性的問(wèn)題卻愈來(lái)愈顯得突出，保證信息安全的一 個(gè)重要技術(shù)就是密碼學(xué)。密碼學(xué)在信息安全技術(shù)中扮演著基礎(chǔ)的角色，是攻擊者最難攻破 的模塊。而分組密碼又是密碼學(xué)中最常用的算法，是信息安全中的主力，通常稱為信息安全 中的釋馬。目前學(xué)術(shù)界對(duì)分組密碼的設(shè)計(jì)和研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，每年都有很多新的加密算 法推出。由于物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的加密算法已經(jīng)在資源受限的環(huán)境 中無(wú)法得到的廣泛應(yīng)用，因此，對(duì)資源消耗較少、實(shí)現(xiàn)效率較高的輕量級(jí)密碼算法的設(shè)計(jì)已 經(jīng)成了學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)。
[0003] 對(duì)于輕量級(jí)密碼算法的設(shè)計(jì)，目前常用的算法的長(zhǎng)度都是64比特長(zhǎng)度的，例如 PRESENT、LBlock等，64比特的密鑰長(zhǎng)度，窮舉攻擊需要264次加密過(guò)程，對(duì)于非政府或軍事 組織來(lái)說(shuō)還是很難破譯的。例如，為了攻擊64比特的RC5算法，dis化化Uted. net花了4年10 個(gè)月的時(shí)間，使用了7萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)才能恢復(fù)其密鑰。所W，目前的64比特密鑰的算法對(duì)于抵 抗個(gè)人和小規(guī)模組織的攻擊還是能夠提供一定的安全性。
[0004] 目前已有的輕量級(jí)算法主要采用Feistel結(jié)構(gòu)及其擴(kuò)展和SPN結(jié)構(gòu)（代換置換網(wǎng) 絡(luò)），如PRESENT采用代換置換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，LBlock主要采用的是Feistel擴(kuò)展結(jié)構(gòu)等。除了 FeiStel結(jié)構(gòu)和SPN結(jié)構(gòu)外，還有一類比較成熟的分組密碼設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Lai-Massey結(jié)構(gòu)，W IDEA，F(xiàn)OX算法為代表。其中IDEA是一個(gè)飽經(jīng)考驗(yàn)的密碼，在經(jīng)過(guò)20多年的密碼分析過(guò)程中， 最好的結(jié)果是最近提出的Biclique攻擊方法將攻擊復(fù)雜度降低到窮舉攻擊復(fù)雜度的1/4， 而且對(duì)于Biclique攻擊，AES算法也不能幸免。所W ,IDEA算法還是一個(gè)很安全的算法。
[0005] IDEA算法是一個(gè)比較特殊的算法，其安全性建立在S個(gè)不相合的代數(shù)群運(yùn)算上。 其主要運(yùn)算是對(duì)16比特的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行異或，模21巧日法，模2^+1乘法運(yùn)算，由于運(yùn)=個(gè)運(yùn)算 彼此在不同的代數(shù)群上，結(jié)合律，分配律均不使用，從而使得IDEA算法的混淆速度非?？?， 在經(jīng)過(guò)4.5輪迭代后IDEA算法就能抵抗差分分析攻擊。但I(xiàn)DEA算法的缺陷是其密鑰調(diào)度過(guò) 于簡(jiǎn)化，僅僅是簡(jiǎn)單的線性移位，目前所有對(duì)IDEA的攻擊都是利用其密鑰調(diào)度的缺陷。
[0006] 原始的IDEA算法的上層結(jié)構(gòu)并不具有理論意義上的偽隨機(jī)性，所WVaudenay對(duì) IDEA算法的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了微小的改動(dòng)，添加了一個(gè)正交置換，從而使其具有理論意義上的偽 隨機(jī)性，并且將此結(jié)構(gòu)稱為L(zhǎng)ai-Massey結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)被證明是經(jīng)過(guò)3輪后具有偽隨機(jī)性，4輪 后具有強(qiáng)偽隨機(jī)性的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在上述缺陷，提供一種能夠可證 明安全性、并且使得目前已有對(duì)IDEA算法的攻擊都無(wú)效的易于實(shí)現(xiàn)的加密算法。其中，本發(fā) 明基于IDEA和Lai-Massey結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)32比特分組長(zhǎng)度、64比特密鑰長(zhǎng)度的分組密碼的 加密解密算法。
[0008] 具體地，為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種32比特分組長(zhǎng)度的輕量 級(jí)加密解密方法，包括：
[0009] 加密過(guò)程:將加密過(guò)程中32比特明文分為4個(gè)字節(jié)Xl、X2、X3、X4;對(duì)于パ9，設(shè)置第r 輪的密鑰為KiT，......，K/，而且設(shè)置第9輪的密鑰為Ki9，......，K49 ;使明文經(jīng)過(guò)8個(gè)輪變換，在8 個(gè)輪變換之后第8輪輸出的左邊不需要進(jìn)行再經(jīng)過(guò)最后一個(gè)輸出變換，得到輸出密文Yi、Y2、 &、Y4;
[0010] 解密過(guò)程:按照與加密過(guò)程相對(duì)應(yīng)的方式進(jìn)行解密過(guò)程，其中使得每輪輸出的左 邊兩個(gè)字節(jié)的變換位置，同時(shí)將W下面的方式計(jì)算解密密鑰kiT:
[00"]化 lr，k2r，k3r，k/) = (K^(…-r)，-K2(…-r)，-K3(…-r)，K4-(…-r))，當(dāng)r=l，..，9;
[0012] (k5r,k6r) = 化5r，K6r)，當(dāng)r=l,..,8;
[0013] 密鑰調(diào)度過(guò)程:密鑰調(diào)度將64比特的主密鑰分為8個(gè)字節(jié)Ki, ..，K8;設(shè)置第一輪子 密鑰為化iT，. .，K/) =化1，. .，Ks)。
[0014] 優(yōu)選地，在密鑰調(diào)度過(guò)程中，若第r輪子密鑰為化. .，K/)，則第輪的子密鑰 由第r輪子密鑰通過(guò)作如下變換生成：
[001引第一步驟；令第"1 輪子密鑰中 K/' I=K/:Pnmes[i mod 54])，其中 Primes是小于整數(shù)256的54個(gè)素?cái)?shù)集合，初始第I輪設(shè)置i = 0,后面每運(yùn)行一次乘法操作后 將i遞增；
[0016] 第二步驟:使r+1輪子密鑰化1^，..，齡+1)循環(huán)左移一個(gè)字節(jié)；
[0017] 而且，重復(fù)第一步驟和第二步驟8次，然后再將r+1輪子密鑰循環(huán)左移13比特，一直 到生成了 68個(gè)子密鑰為止。
[0018] 綜上所述，本發(fā)明的加密算法是對(duì)32比特IDEA算法版本的改進(jìn)，在輪函數(shù)中增加 了正交置換，從而使得結(jié)構(gòu)具有可證明安全性，同時(shí)采用了 IDEA算法中良好的乘法加法混 淆模塊，增加了算法混淆性，并且修改了密鑰生成算法，避免了線性密鑰調(diào)度過(guò)程，從而使 得最新的Biclique攻擊對(duì)本發(fā)明的加密算法不成立。在軟件實(shí)現(xiàn)上，本發(fā)明的加密算法算 法比其他大多數(shù)32比特分組算法要快很多，只比美國(guó)國(guó)家安全局最新設(shè)計(jì)的SIMON和S陽(yáng)CK 慢40%左右。在硬件實(shí)現(xiàn)上，本發(fā)明的加密算法也非常容易?？紤]到美國(guó)國(guó)家安全局設(shè)計(jì)的 算法目前還未被驗(yàn)證具有良好的安全性，所W本發(fā)明的加密算法是一個(gè)有利的32比特分組 長(zhǎng)度的候選分組密碼算法。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 結(jié)合附圖，并通過(guò)參考下面的詳細(xì)描述，將會(huì)更容易地對(duì)本發(fā)明有更完整的理解 并且更容易地理解其伴隨的優(yōu)點(diǎn)和特征，其中：
[0020] 圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的32比特分組長(zhǎng) 度的輕量級(jí)加密解密方法的示意圖。
[0021] 需要說(shuō)明的是，附圖用于說(shuō)明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。注意，表示結(jié)構(gòu)的附圖可 能并非按比例繪制。并且，附圖中，相同或者類似的元件標(biāo)有相同或者類似的標(biāo)號(hào)。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 為了使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚和易懂，下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的內(nèi) 容進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0023] 本發(fā)明提供了一種32比特分組長(zhǎng)度的輕量級(jí)密碼算法，該算法設(shè)計(jì)了一個(gè)32比特 分組長(zhǎng)度，64比特密鑰長(zhǎng)度的分組密碼的加密算法。該算法基于IDEA和Lai-Massey結(jié)構(gòu)，對(duì) IDEA算法的32比特版本的輪函數(shù)進(jìn)行了修改，添加了正交置換，使得其具有可證明安全性， 并且修改了密鑰調(diào)度過(guò)程，從而使得目前已有對(duì)IDEA算法的攻擊都對(duì)本加密算法攻擊無(wú) 效。本加密算法的軟件實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單，其速度要比目前已有的大多數(shù)32比特分組長(zhǎng)度算法 要快很多，硬件實(shí)現(xiàn)也很簡(jiǎn)單，運(yùn)使得本加密算法成為32比特分組長(zhǎng)度輕量級(jí)分組密碼中 有力的候選算法。
[0024] 本發(fā)明的加密算法算法并非僅僅是IDEA算法的32比特版本，而是對(duì)其輪函數(shù)進(jìn)行 了修改，添加了正交置換，并且修改了密鑰調(diào)度過(guò)程，從而使得目前已有對(duì)IDEA算法的攻擊 都對(duì)本發(fā)明的加密算法攻擊無(wú)效。本發(fā)明的加密算法的軟件實(shí)現(xiàn)也是非常簡(jiǎn)單的，其速度 要比目前已有的大多數(shù)32比特分組長(zhǎng)度算法要快很多。
[0025] 本發(fā)明的加密算法是一個(gè)32比特分組長(zhǎng)度、64比特密鑰長(zhǎng)度的加密算法，其包括8 輪輪函數(shù)和一個(gè)輸出變換，其基于IDEA算法，采用Lai-Massey結(jié)構(gòu)，但是輪函數(shù)和密鑰調(diào)度 過(guò)程都與IDEA算法有一定的不同。
[0026] 具體地，圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的32比 特分組長(zhǎng)度的輕量級(jí)加密解密方法的示意圖。
[0027] 如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的32比特分組長(zhǎng)度的輕量級(jí)加密解密方法包 括：
[0028] 加密過(guò)程:將加密過(guò)程中32比特明