CN102013974B - 基于随机变化的非线性步骤的加密方法和解密方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于随机变化的非线性步骤的加密方法，属于信息加密技术领域。具体地，是以分组密码算法Camellia的整体框架为基础，根据一定的条件，构造随机变化的非线性步骤，替换Camellia算法原有固定不变的非线性步骤，借以抵御已知的密码攻击方法。本发明中所提出的加密方法，把传统分组密码加密方法中作为“常量”的S盒步骤变成了“变量”，当分组密码算法被攻破时，传统分组密码加密的所有密文都会被破译，而使用本发明所述的加密方案加密的密文只有少量会被破译，大大提高了加密数据的安全性。

Description

基于随机变化的非线性步骤的加密方法和解密方法

技术领域

本发明涉及信息加密技术领域，具体涉及了分组密码加密方法中的非线性步骤。主要应用于数字通信过程中的各种软、硬件通信设备。

背景技术

当前主流分组密码加密方法主要包含了两大步骤：线性步骤和非线性步骤。线性步骤的作用是将明文的微小变化扩散至整个分组，一般由MDS矩阵或位移等操作实现；非线性步骤的作用是消除输入数据与输出数据的相关性，一般由S盒步骤实现。

分组密码加密方法中的S盒步骤本质上均可看作映射：

S：GF(2ⁿ)→GF(2^m)

其中，x∈GF(2ⁿ)，f_i：GF(2ⁿ)→GF(2)是布尔函数。通常简称这样的S盒为n-m的S盒。

目前，通常使用平衡性、相关免疫度、雪崩效应、代数次数、非线性度和差分传播概率等性质作为安全性指标，对S盒的安全性进行分析。一个S盒的上述性质必须达到安全性要求，才可以使用。

2003年2月欧洲最新一代的安全标准NESSIE出台，该标准包括两个128bits分组密码算法，一个是AES算法，另一个是Camellia算法。

一般而言，分组密码算法的非线性步骤均是由多个S盒并联之后构成。例如，Camellia算法非线性步骤的定义为：

$S:L\→L$

其中l_i是8bits长的二进制串，i＝1，2，...，8，s₁是一个以求逆运算为核心的8-8的S盒，s₂，s₃，s₄均是以s₁为基础进行一次循环位移操作得到的S盒，这里“||”表示比特并联。该非线性步骤为64bits输入、64bits输出。

目前几乎所有已知的分组密码攻击方法在分析非线性步骤时，都是针对S盒进行的，如果S盒是固定不变的，则该加密算法比较容易被破解。而当某个加密方法的S盒会发生随机的改变时，则对该方法的攻击方案将会失效，因为即使成功分析出某个单独的S盒，也无法分析出由同一随机算法得到的其他S盒。

发明内容

本发明的目的是以分组密码算法Camellia的整体框架为基础，构造随机变化的非线性步骤，替换Camellia原有固定不变的非线性步骤，借以抵御已知的密码攻击方法。

本发明提供的技术方案如下(流程参见图3)：

一种基于随机变化的非线性步骤的加密方法，该方法基于Camellia算法，其特征在于，所述加密方法使用随机变化的S盒实现其非线性步骤，实现方法如下：

A.设置S盒的更换条件和筛选条件；

所述更换条件为一个数字上限，当原有S盒的使用时间或使用次数达到该上限时，产生新的S盒来代替原有S盒。

所述筛选条件为：非线性度≥1900；代数次数≥11；差分传播概率≤2^-6。

B.根据更换条件和筛选条件生成并输出S盒；

实现方法如下：

1)判断当前S盒是否达到更换条件，若未达到，则转步骤C；

2)产生一个由{0，1，2，...，4095}构成的随机置换表，截取表中每一个元素的最后8位，得到一个12-8的S盒；

3)对该S盒进行安全性检测，当安全性满足步骤A所设置的筛选条件时，输出该S盒；否则，转步骤2)；

C.使用字节扩展方法和步骤B输出的S盒，构成新的64bits输入、64bits输出的非线性步骤，得到新的加密方法。

本发明同时提供对应的解密方法如下：将加密时使用的S盒和密钥同时传递给解密终端，解密终端先用该S盒结合一个字节置换步骤构成解密算法的非线性步骤，然后对数据进行解密。

本发明中所提出的加密方法，把传统分组密码加密方法中作为“常量”的S盒步骤变成了“变量”，使加密方法可以更好地抵御已知的密码攻击方法；当分组密码算法被攻破时，传统分组密码加密的所有密文都会被破译，而使用本发明所述的加密方案加密的密文只有少量会被破译，大大提高了加密数据的安全性。同时，这种加密模式还有着很好的改进前景，在工程应用中可以体现出很高的实用的价值。

附图说明

图1是新的非线性步骤示意图。

图2是加密方法流程图。

图3是本发明对应的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为新的非线性步骤示意图，其中步骤100表示64bits输入数据，步骤101表示字节扩展，步骤102表示扩展后的72bits数据，步骤103表示并联S盒，步骤104表示64bits输出数据，步骤105表示返回到Camellia加密流程。

基于随机可变S盒步骤的加密方法的实施步骤如下：

1.安全性调节步骤：

1.1设置S盒筛选条件：

加密终端根据实际需求设置S盒筛选条件，保证加密方法的安全性。筛选条件设置的越苛刻，则产生随机S盒的速度越慢。通常可以选取非线性度、代数次数和差分传播概率这3种性质，对S盒安全性进行限制。一般设置为：

-非线性度≥1900；

-代数次数≥11；

-差分传播概率≤2^-6；

只有当一个随机12-8的S盒满足上述3个条件时，步骤2才可以输出该S盒。

1.2设置S盒更换条件：

加密终端根据实际需求设置S盒更换条件。“更换条件”可以设置为S盒的使用时间或加密次数，一般可设置为：一个S盒使用时间达到1天或加密次数达到100次后，视其为过期S盒，通过步骤2产生新的S盒代替它。

2.随机S盒生成步骤：

本步骤在加密终端进行。

2.1判断当前S盒是否满足更换条件。若满足，则继续；若不满足，则转步骤3。

2.2产生一个(0，1，2，2¹²-1)的随机排列，记为

2.3对任意a_i，i∈{0，1，...，2¹²-1}，将a_i按二进制表示为：

a_i＝b_i，12||b_i，11||...||b_i，1

b_i，j∈{0，1}，j∈{1，2，...，12}；

2.4令

S(i)＝b_i，8||b_i，7||...||b_i，1

i∈{0，1，...，2¹²-1}；

函数S(i)是一个满足平衡性的随机12-8的S-盒；

2.5测试S盒的各项安全性质。若S盒的安全性满足步骤1.1所设置的筛选条件，则输出该S盒；若不然，则转至步骤2.2，重新产生新的S盒。

3.构造步骤：

3.1字节扩展：

将非线性步骤64bits的输入表示为：L₁||L₂，L₁，L₂是32bits长的二进制串。采用扩展函数E把L_i从32bits扩展为48bits得到本步骤的输出数据：

L₁₁||L₁₂||L₁₃||L₁₄||L₂₁||L₂₂||L₂₃||L₂₄，

其中i＝1，2，j＝1，2，3，4，L_ij是12bits长的二进制串。E的作用为：

对长为32的比特串A＝(a₁，a₂，a₃，…，a₃₂)，E(A)即为下列的长为48的比特串：

E(A)＝(a₂，a₃，a₄，a₅，a₃₂，a₁，a₆，…，a₁，a₂₈，a₂₉)

E的比特选择方法见表1；

2	3	4	5	32	1
						6	7	8	9	4	5
10	11	12	13	8	9
						14	15	16	17	12	13
18	19	20	21	16	17
						22	23	24	25	20	21
26	27	28	29	24	25
						30	31	32	33	34	35

表1E比特选择表

3.2并联S盒：

将步骤3.1.1所得到的L₁₁||L₁₂||L₁₃||L₁₄||L₂₁||L₂₂||L₂₃||L₂₄经过8个并联S盒，得到新的非线性步骤的64bits输出：

S(L₁₁)||S(L₁₂)||S(L₁₃)||S(L₁₄)||S(L₂₁)||S(L₂₂)||S(L₂₃)||S(L₂₄)

这里的S，是由步骤2所输出的S盒。步骤3.11和3.1.2的流程见图1。

3.3构造新加解密方法：

将新的非线性步骤，分别代替Camellia加、解密方法中原有的64bits输入、64bits输出的非线性步骤，即得到新的加、解密方法。

4.加解密步骤：

4.1使用步骤3构造的加密方法，利用密钥对原文数据进行加密。

4.2在加密终端将步骤3所使用的S盒同密文、密钥一起传输给解密终端。

4.3根据步骤4.2所传输的S盒，使用步骤3得出新的解密方法，并利用密钥对密文数据进行解密。

图2给出了本发明所述加密方法的流程图。

Claims (5)

1.一种基于随机变化的非线性步骤的加密方法，该方法基于Camellia算法，其特征在于，所述加密方法的非线性步骤使用随机变化的S盒，该非线性步骤的实现方法如下：

A.设置S盒的更换条件和筛选条件；

B.根据更换条件和筛选条件生成并输出S盒；

C.使用字节扩展方法和步骤B输出的S盒，构成新的64bits输入、64bits输出的非线性步骤；

其中，所述步骤B的实现方法为：

1)判断当前S盒是否达到更换条件，若未达到，则转步骤C；

2)产生一个由{0，1，2，...，4095}构成的随机置换表，截取表中每一个元素的最后8位，得到一个12-8的S盒；

3)对该S盒进行安全性检测，当安全性满足步骤A所设置的筛选条件时，输出该S盒；否则，转步骤2)。

2.如权利要求1所述的加密方法，其特征在于，所述更换条件为一个数字上限，当原有S盒的使用时间或使用次数达到该上限时，产生新的S盒来代替原有S盒。

3.如权利要求1所述的加密方法，其特征在于，所述筛选条件为：非线性度≥1900且代数次数≥11且差分传播概率≤2^-6。

4.如权利要求2所述的加密方法，其特征在于，所述更换条件为1天或者100次。

5.权利要求1所述加密方法对应的解密方法，其特征在于，将加密时使用的S盒和密钥同时传递给解密终端，解密终端先用该S盒结合一个字节置换步骤构成解密算法的非线性步骤，然后对数据进行解密。

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