CN101013938B - 一种分组密码加密方法 - Google Patents

Abstract

一种分组密码加密方法，用于对明文数据进行加密处理，所述方法包括以下处理步骤：分组；设置密钥；设置循环移位常量L和移位常数R，对数据进行模2加及循环移位操作；设置并进行非线性置换；设置并进行多维X-点变换扩散；设置密码算法的轮函数；处理中间数据，结果即为密文数据组。本发明提供的分组密码加密算法，其设计基于完善的数学理论，结合了数据循环移位和多维X-点变换扩散器技术，设计安全合理，从而具有良好的抵抗差分攻击、线性攻击、插值攻击和密钥相关等攻击的性能；由于分组密码只是通过相应的运算来达到较高的安全性，因而其结构清晰、简洁、严谨、易于软硬件的快速实现，而且在应用中能大大节省存储空间。

Description

一种分组密码加密方法

技术领域

本发明涉及信息安全加密技术领域，尤其是涉及一种利用电子计算机及编码技术，形成加密密码用以保护信息的方法。

背景技术

随着计算机与数据通信技术的高速发展和广泛应用，社会对信息的安全存储、安全处理和安全传输的依赖越来越大，信息的安全保护问题就显得更加重要。可靠的加密方法可以使一些敏感机密信息在没有防护措施的介质上安全地存储或传输。

分组密码方法是解决信息安全保护问题的现代密码技术之一，其诞生和发展有着重要的理论价值和广泛的应用背景。七十年代中期美国数据加密标准DES的颁布揭开了分组密码研究的序幕，与其他密码技术相比，分组加密算法的突出特点是将明文消息按固定的长度进行分组，在密钥的作用下，逐组地进行加密，变换成固定长度的密文分组，每一组明文对应一组密文。因此，分组加码算法的本质特征就是一种替代方法。解密过程则是将密文组代替为原始等长度的明文组。目前，国际上使用的分组大小为128和64比特。

分组密码的基本设计原则就是Shannon提出的混乱原则和扩散原则，即原始信息经过加密处理之后变得非常复杂，要想通过处理后的结果分析出原始信息是现有技术和实际应用不可行的。

分组密码的早期研究基本上是围绕DES进行，但是进入九十年代后，随着分组密码分析技术的发展，特别是差分密码分析和线性密码分析的提出，迫使人们不得不研究新的密码算法，开始出现了一些新型的分组密码算法。1997年4月NIST发起征集AES(Advanced Encryption Standard高级加密标准)后，有15个算法成为了AES候选算法，并选定MARS、RC6、Rijndael、Serpent和Twofish 5个算法作为参加决赛的算法，最终NIST选择Rijndael算法作为高级加密标准AES；2000年1月欧洲NESSIE计划开始征集欧洲标准，有17个算法获得候选资格，选定IDEA、Khazad、MISTY1、Camellia、SHACAL、RC6、SAFER++等七个算法为分组密码的第二轮决赛算法，其中MISTY1、Camellia、SHACAL三个算法连同AES算法Rijndael一起作为欧洲新世纪的分组密码标准算法。目前，韩国、日本和俄罗斯等国家也都已经制定了各自的加密标准，近年我国也提出要制定自己的分组密码标准。

在AES和欧洲加密标准征集中，共征集了30多个分组密码方案，这些算法反映了当前分组密码的设计水平和方向。

分组密码的研究包括分组密码设计和分组密码分析两个方面。分组密码的设计和分析是两个既相互对立又相互依存的研究方向，正是由于这种对立促进了分组密码的飞速发展。因而，一个优秀的分组密码方法应该要能抵抗各种密码分析的攻击，即使达不到理论上是不可破的，也应该是实际上不可破的。

分组密码算法的基本功能是对信息进行安全保护，并在此基础上提高安全性能。已有的分组密码算法为了达到高的安全性导致加解密速度较慢，或者逻辑结构较复杂，较难在软硬件上快速实现。

另一方面，随着分组密码中数据循环移位和多维n-点变换扩散器技术的发展，数据循环移位和多维n-点变换扩散器技术已得到了广泛应用，特别是在一些广为人知的经典分组密码算法中也使用了以上技术，如RC5、MARS等算法充分利用数据循环移位的方法来实现对数据的复杂处理，SAFER系列算法就通过采用三维2-点、四维2-点、二位4-点变换扩散器使信息数据得到最优的扩散。但是，随着近年来密码编码技术和密码分析技术的深入，仅仅单独使用数据循环移位或多维n-点变换扩散器技术来加密信息以达到使信息混乱和扩散的目的已变得越来越复杂，使得一些分组加密算法存在一些加解密速度较慢，算法逻辑结构较复杂，软硬件实现较困难的问题。因此，设计高效安全的分组密码算法，并将其在实际中应用，将有利于一些重要领域的信息安全保护。

现有分组密码算法试图在安全性，逻辑结构，速度和软硬件实现难易程度等方面找到一个平衡。许多算法通过较复杂的逻辑结构来保证算法的安全，但是这样算法速度就变慢了，而且难于程序实现或难以在微型电路芯片上实现；另有一些算法的结构较简单，也易于软硬件实现，但是它的安全性就达不到应用的要求。因此，较偏向分组密码算法的一些性能，而没有找到一个较合理的平衡是导致这些缺陷的一个主要原因。

因此，需要发明一种新的分组密码加密算法解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效并且安全的分组密码加密算法，结合数据循环移位和最优多维n-点变换扩散器等技术实现明、密文的变换过程，具有可靠的安全性、加解密速度快、算法逻辑结构简洁且易于软硬件实现等特点。

本发明为了实现上述技术目的，采用如下技术手段：

一种分组密码加密方法，用于包括有寄存器的计算机对明文数据进行加密处理，所述方法包括以下处理步骤：A.将明文数据按每组M字节分成明文数据组；B.设置密钥K，并将密钥K按照每N字节分成密钥数据组；C.设置循环移位的比特位数，及循环移位常量L和移位常数R；对明文数据组和密钥数据组的数据进行模2加及循环移位操作，得到第一中间数据；D.设置密码分组的非线性置换模型，对第一中间数据进行非线性置换，得到第二中间数据；E.设置多维X-点变换扩散器，对第二中间数据进行多维X-点变换扩散，得到第三中间数据；F.提供密码算法的轮函数，并设置该密码算法轮函数的轮数，由所述轮函数处理第三中间数据，得到第四中间数据；G.将所述第四中间数据与所述密钥K的部分密钥逐比特异或，操作后的结果即为对该明文数据组加密所得到的密文数据组。

所述的步骤B进一步包括以下处理步骤：b1.将随机N字节的初始密钥每连续64比特分成一组，共产生n个64比特的初始密钥组，标记为第1至第n个64比特组，其中n＝8*N/64；b2.将初始第i个64比特组分为前后32比特，后32比特加上(i+1)的值作为新的前32比特，将新得到的前32比特与后32比特异或，再循环左移新的前32比特值大小的比特位，最后将循环移位后的结果与n异或，作为第i个64比特新的后32比特，而将此新后32比特加上此前新得到的前32比特的结果循环左移新后32比特值的比特位数，将此结果作为第i个64比特新的前32比特；其中，所述i的取值范围是1≤i≤n；b3.将初始第i个64比特组分为前后32比特，前32比特减去(i+1)的值作为新的前32比特，将后32比特减去新得到的前32比特后，再循环左移新的前32比特值大小的比特位，最后将循环移位后的结果与n异或作为第i个64比特新的后32比特，而将此新后32比特异或上此前新得到的前32比特的结果循环左移新后32比特值的比特位数，将此结果作为第i个64比特新的前32比特；b4.将n循环左移i位后，再加上1的结果作为n的新值，并标记为n’；b5.将步骤b2变换获得的64比特与步骤b3变换获得的64比特异或的结果作为新的第n+i个64比特的扩展密钥；b6.重复执行步骤b2，b 3，b4，b5，i的取值从1开始直至n。

所述的步骤D中的非线性置换是指包括以下处理步骤：d1.将每连续4字节放在一个寄存器上，得到4个寄存器，标记为：第1至第4个寄存器；d2.将第2个寄存器的内容与第4个寄存器的内容逐位取反后和第3个寄存器的内容逐比特逻辑与的结果再逐比特异或，结果放回第2个寄存器；d3.第1个寄存器的内容与第2个寄存器的内容和第3个寄存器的内容逐比特求逻辑或的结果再逐比特异或，结果放回第1个寄存器的内容；d4.交换第2个寄存器与第4个寄存器中的内容；d5.将4个寄存器中的内容逐比特异或后放入第3个寄存器，将第2个寄存器中的内容与第3个寄存器的内容逐比特求逻辑与再和第1个寄存器中的内容逐比特异或，结果放入第1个寄存器中，第3个寄存器的内容逐比特求反后的值与第1个寄存器中的内容求逻辑或，再和第2个寄存器中的内容逐比特异或，结果放入第2个寄存器中。

所述步骤F中的轮函数是指依照以下结构和顺序进行处理：f1.将明文分组依次按顺序与步骤B中所得到的相应密钥分组相异或；f2.进行步骤C，步骤D和步骤E相关的处理；f3.将明文分组与步骤B中所得到的相应密钥分组依次相异或；f4.将f1、f2、f3作为本分组密码算法中的一轮。

所述步骤A中的M值为16，所对应的分组大小为128比特。

所设置密钥K的每组密钥字节数N值选取16、24或32，所对应的密钥分组大小为128比特、192比特或256比特。

所述循环移位常量L包括L1、L2、L3、L4，所述的L1、L2、L3、L4依次分别取值为2，5，8，1。所述常数R为有限域GF(2⁸)上的常数，其初值取值为0X80，且每使用R一次，都将R左移1比特位再与常量0X1B逐比特异或，将所得结果作为新的R值。

所述步骤E中的多维X-点变换扩散器为三维4-点变换扩散器。

所述步骤F中的密码算法的轮数大于或者等于4。

所述步骤G中的部分密钥是指所述密钥K的最后128比特。

本发明提供的分组密码加密算法，其设计基于完善的数学理论，结合了数据循环移位和多维X-点变换扩散器技术，设计安全合理，从而具有良好的抵抗差分攻击、线性攻击、插值攻击和密钥相关等攻击的性能；同时由于分组密码只是通过相应的运算来达到较高的安全性，并没有使用其他算法通常的查表运算，因而其结构清晰、简洁、严谨、易于软硬件的快速实现，而且在应用中能大大节省存储空间。

附图说明

图1是本发明一种分组密码加密方法一个实施例的步骤图；

图2是本发明一种分组密码加密方法实施例中三维4-点变换扩散器的一般结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细介绍本发明。

参考附图1，在本发明一个实施例中，实现发明目的的技术方案包括如下步骤：

步骤1：将明文数据按每组固定128bit分组，并将每个明文分组分别依次放入4个寄存器中，每个寄存器存放4个字节。设置密钥K的每组密钥字节数N值为16，所对应的密钥分组大小为128比特。

步骤2：将每个明文分组与对应的密钥分组逐比特逐比特异或，得到变化后的中间明文分组。

步骤3：对每一个寄存器中的数据，分别进行简单的模2加(异或)和循环移位运算。

步骤4：设置密码分组的非线性置换模型，对中间数据进行非线性置换。

步骤5：对中间数据4个寄存器中的内容一起作三维4-点扩散变换。

步骤6：重复执行步骤2、3、4、5，直至达到预设的4轮次为止。

步骤7：将步骤6的结果与所设置密钥的最后128比特密钥逐比特异或，操作后的结果作为对该明文组加密得到的密文组。

其中，步骤3可以详细地依如下步骤进行：

步骤3a.第1个寄存器的内容与第3个寄存器的内容逐比特异或，再循环左移L1比特，结果放回第1个寄存器；

步骤3b.第2个寄存器的内容与第4个寄存器的内容逐比特异或，再循环左移L2比特，结果放回第2个寄存器；

步骤3c.第3个寄存器的内容与第2个寄存器的内容逐比特异或，再循环左移L3比特，结果放回第3个寄存器；

步骤3d.第4个寄存器的内容与第1个寄存器的内容逐比特异或，再循环左移L4比特，结果放回第4个寄存器；

步骤3e.第15字节与常数R逐比特异或；

步骤3f.第2个寄存器的内容与第3个寄存器的内容逐比特异或的结果与第4个寄存器的内容逐比特异或，再与第1个寄存器的内容循环左移L1比特后的结果逐比特异或，得到一个4字节的数依序放回第1个寄存器；

步骤3g.第1个寄存器的内容与第3个寄存器的内容逐比特异或的结果与第4个寄存器的内容逐比特异或，再与第2个寄存器的内容循环左移L2比特后的结果逐比特异或，得到一个4字节的数依序放回第2个寄存器；

步骤3h.第1个寄存器的内容与第2个寄存器的内容逐比特异或的结果与第4个寄存器的内容逐比特异或，再与第3个寄存器的内容循环左移L3比特后的结果逐比特异或，得到一个4字节的数依序放回第3个寄存器；

步骤3i.第1个寄存器的内容与第2个寄存器的内容逐比特异或的结果与第3个寄存器的内容逐比特异或，再与第4个寄存器的内容循环左移L4比特后的结果逐比特异或，得到一个4字节的数依序放回第4个寄存器；

步骤3j.第4个寄存器的内容与第1个寄存器的内容逐比特异或，再循环左移L1比特，结果放回第4个寄存器；

步骤3k.第3个寄存器的内容与第4个寄存器的内容逐比特异或，再循环左移L2比特，结果放回第3个寄存器；

步骤3l.第2个寄存器的内容与第3个寄存器的内容逐比特异或，再循环左移L3比特，结果放回第2个寄存器；

步骤3m.第1个寄存器的内容与第2个寄存器的内容逐比特异或，再循环左移L4比特，结果放回第1个寄存器。

步骤3e中出现的R为有限域GF(2⁸)上的常数，初值为0x80(十六进制表示)。每使用R一次，都将R左移1比特再与常量0x1B(十六进制表示)逐比特异或，所得结果为新的R值；循环移位常量L1，L2，L3，L4依次取值为：2、5、8、1。

其中，步骤4所述的非线性置换可以详细地依如下步骤进行：

将第4个寄存器的内容逐位取反，与第3个寄存器的内容逐比特求逻辑与，得到的结果再与第2个寄存器的内容逐比特异或，最后将操作结果放回第2个寄存器；将第2个寄存器的内容和第3个寄存器的内容逐比特求逻辑或的结果，再与第1个寄存器的内容逐比特异或，结果放回第1个寄存器；交换第2个寄存器与第4个寄存器中的内容；将第1、2、3、4个寄存器中的内容依次逐比特异或后放入第3个寄存器中，再将第2个寄存器中的内容与第3个寄存器的内容逐比特求逻辑与，然后再和第1个寄存器中的内容逐比特异或，结果放入第1个寄存器；第3个寄存器的内容逐比特求反后的值与第1个寄存器中的内容逐比特求逻辑或，再和第2寄存器中的内容逐比特异或，结果放入第2个寄存器。

步骤5中的三维4-点扩散变换如图2所示，三维-4点变换器的一般结构：令每个输入都是n比特，盒子“4-TRA”是

的一个线性变换，这样一个线性变换可以与

上的一个可逆4×4矩阵H等价起来。

$H=\left[\begin{array}{cccc}2& 1& 1& 1\\ 1& 2& 1& 1\\ 1& 1& 2& 1\\ 1& 1& 1& 1\end{array}\right]$

由这个矩阵所决定的4-TRA为4-PHT(伪Hadamard变换)，“transformshuffle”是一个从集合{1，2，...，16}到它自身的一个置换。其中变换4-TRA采用4-PHT，“transform shuffle”的置换是[9  6  3  1  6  1  14  11  8  52  15  12  13  10  7  4]。

在本发明另外的实施例中，步骤1中的密钥K的字节数N值也可以为24或32，所对应的密钥分组大小为192比特或256比特。

在本发明另外的实施例中，步骤6中的轮数也可以是大于4的整数。

本发明的分组密码方法基于容易实现的基本运算，易于软件编程实现，例如用C语言实现编程，在PIII550上加解密速度达到了152M比特/s。另外，该分组密码只是通过相应的运算来达到高的安全性，并没有使用其他算法通常的查表运算，所以在应用中也大大节省了存储空间。本发明的分组密码算法，通过对加解密过程的雪崩特性、明密文相关性、非线性度、差分特性和布尔函数表达式，以及密钥扩展过程的雪崩特性，频数特性，跟随特性，扑克特性和自相关性等安全性能的分析测试，结果表明它具有良好的抵抗差分攻击、线性攻击、插值攻击和密钥相关等攻击的性能。本发明算法设计基于完善的数学理论，设计安全合理，结合了数据循环移位和多维n-点变换扩散器技术，使结构清晰、简洁、严谨，易于软硬件的快速实现。本发明的分组密码算法，加解密速度比RIJNDAEL、RC5、SAFER++、3DES等著名算法要快，且算法的逻辑结构更加清晰简洁，易于程序的快速实现，同样也适合在硬件芯片上实现。

本发明经过了在电子计算机上的实验、模拟和相关测试过程，结果表明它具有良好的抵抗差分攻击、线性攻击、插值攻击和密钥相关等攻击的性能，是一个高效安全的分组密码算法。

本发明提供的分组密码加密算法，其设计基于完善的数学理论，结合了数据循环移位和多维X-点变换扩散器技术，设计安全合理，从而具有良好的抵抗差分攻击、线性攻击、插值攻击和密钥相关等攻击的性能；同时由于分组密码只是通过相应的运算来达到较高的安全性，并没有使用其他算法通常的查表运算，因而其结构清晰、简洁、严谨、易于软硬件的快速实现，而且在应用中能大大节省存储空间。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种分组密码加密方法，用于包括有寄存器的计算机对明文数据进行加密处理，其特征在于，所述方法包括以下处理步骤：

A.将明文数据按每组M字节分成明文数据组；

B.设置密钥K，并将密钥K按照每N字节分成密钥数据组；

C.设置循环移位的比特位数，及循环移位常量L和移位常数R；对明文数据组和密钥数据组的数据进行模2加及循环移位操作，得到第一中间数据；

D.设置密码分组的非线性置换模型，对第一中间数据进行非线性置换，得到第二中间数据；

E.设置多维X-点变换扩散器，对第二中间数据进行多维X-点变换扩散，得到第三中间数据；

F.提供密码算法的轮函数，并设置该密码算法轮函数的轮数，由所述轮函数处理第三中间数据，得到第四中间数据；

G.将所述第四中间数据与所述密钥K的部分密钥逐比特异或，操作后的结果即为对该明文数据组加密所得到的密文数据组。

2.如权利要求1所述的分组密码加密方法，其特征在于，所述的步骤B进一步包括以下处理步骤：

b1.将随机N字节的初始密钥每连续64比特分成一组，共产生n个64比特的初始密钥组，标记为第1至第n个64比特组，其中n＝8*N/64；

b2.将初始第i个64比特组分为前后32比特，后32比特加上(i+1)的值作为新的前32比特，将新得到的前32比特与后32比特异或，再循环左移新的前32比特值大小的比特位，最后将循环移位后的结果与n异或，作为第i个64比特新的后32比特，而将此新后32比特加上此前新得到的前32比特的结果循环左移新后32比特值的比特位数，将此结果作为第i个64比特新的前32比特；其中，所述i的取值范围是1≤i≤n；

b3.将初始第i个64比特组分为前后32比特，前32比特减去(i+1)的值作为新的前32比特，将后32比特减去新得到的前32比特后，再循环左移新的前32比特值大小的比特位，最后将循环移位后的结果与n异或作为第i个64比特新的后32比特，而将此新后32比特异或上此前新得到的前32比特的结果循环左移新后32比特值的比特位数，将此结果作为第i个64比特新的前32比特；

b4.将n循环左移i位后，再加上1的结果作为n的新值，并标记为n’；

b5.将步骤b2变换获得的64比特与步骤b3变换获得的64比特异或的结果作为新的第n+i个64比特的扩展密钥；

b6.重复执行步骤b2，b3，b4，b5，i的取值从1开始直至n。

3.如权利要求1所述的分组密码加密方法，其特征在于，所述的步骤D中的非线性置换是指包括以下处理步骤：

d1.将每连续4字节放在一个寄存器上，得到4个寄存器，标记为：第1至第4个寄存器；

d2.将第2个寄存器的内容与第4个寄存器的内容逐位取反后和第3个寄存器的内容逐比特逻辑与的结果再逐比特异或，结果放回第2个寄存器；

d3.第1个寄存器的内容与第2个寄存器的内容和第3个寄存器的内容逐比特求逻辑或的结果再逐比特异或，结果放回第1个寄存器的内容；

d4.交换第2个寄存器与第4个寄存器中的内容；

d5.将4个寄存器中的内容逐比特异或后放入第3个寄存器，将第2个寄存器中的内容与第3个寄存器的内容逐比特求逻辑与再和第1个寄存器中的内容逐比特异或，结果放入第1个寄存器中，第3个寄存器的内容逐比特求反后的值与第1个寄存器中的内容求逻辑或，再和第2个寄存器中的内容逐比特异或，结果放入第2个寄存器中。

4.如权利要求1所述的分组密码加密方法，其特征在于，所述步骤F中的轮函数是指依照以下结构和顺序进行处理：

f1.将明文分组依次按顺序与步骤B中所得到的相应密钥分组相异或；

f2.进行步骤C，步骤D和步骤E相关的处理；

f3.将明文分组与步骤B中所得到的相应密钥分组依次相异或；

f4.将f1、f2、f3作为本分组密码算法中的一轮。

5.如权利要求1所述的分组密码加密方法，其特征在于：所述步骤A中的M值为16，所对应的分组大小为128比特。

6.如权利要求1或2所述的分组密码加密方法，其特征在于，所设置密钥K的每组密钥字节数N值选取16、24或32，所对应的密钥分组大小为128比特、192比特或256比特。

7.如权利要求1所述的分组密码加密方法，其特征在于，所述循环移位常量L包括L1、L2、L3、L4，所述的L1、L2、L3、L4依次分别取值为2，5，8，1；所述常数R为有限域GF(2⁸)上的常数，其初值取值为0X80，且每使用R一次，都将R左移1比特位再与常量0X1B逐比特异或，将所得结果作为新的R值。

8.如权利要求1所述的分组密码加密方法，其特征在于，所述步骤E中的多维X-点变换扩散器为三维4-点变换扩散器。

9.如权利要求1所述的分组密码加密方法，其特征在于，所述步骤F中的密码算法的轮数大于或者等于4。

10.如权利要求1所述的分组密码加密方法，其特征在于，所述步骤G中的部分密钥是指所述密钥K的最后128比特。

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