CN103166753B - 4个非线性驱动的轻量级流密码加密方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种4个非线性驱动的轻量级流密码加密方法，其仅采用面向比特的异或和与运算，内部操作容易实现；借鉴分组密码的多轮迭代思想，对初始化内部向量进行“多轮”比特混合置乱操作，从而能够快速达到置乱效果；新引入“分区交替扩散”和“多层混淆”的技术,快速完成种子密钥比特间混淆和扩散效果；所选的4个非线性驱动部件具有稳固的密码学性质以抵抗多种攻击；密钥生成阶段新引入双二次项进行非线性置乱，有效抵抗传统的内部状态恢复攻击；种子密钥长度为88比特具有高安全强度；算法简洁、容易软、硬件平行实现，特别适合资源受限环境下使用，比如无限传感器网络等；实现的存储代价小。

Description

4个非线性驱动的轻量级流密码加密方法

技术领域

本发明涉及信息安全领域，具体涉及一种4个非线性驱动的轻量级流密码加密方法。

背景技术

在数据传输过程中，部分敏感数据为了防止攻击者的窃听而需要进行加密处理，使得攻击者只能窃听到密文而无法获得任何有用信息，只用拥有密钥的合法接收者才能解密还原出真实消息。在数据加密算法中，有两大类加密算法。一是分组加密算法，二是流密码加密算法（也称为序列密码）。分组加密算法的加密数据是固定长度的（分成一组一组），而流密码加密算法的加密长度是一个可变范围很大的值。分组密码以一定大小作为每次处理的基本单元，而序列密码则是以一个元素（一个字母或一个比特）作为基本的处理单元。流密码加密算法具有实现简单、便于硬件实施、加解密处理速度快、没有或只有有限的错误传播等特点，因此在实际应用中，特别是专用或机密机构中保持着优势，典型的应用领域包括无线通信和外交通信等。流密码加密算法具体应用环境和模式可见图1。首先消息发送方和接收方通过一个安全信道共享了一个种子密钥k，对于每一比特明文xi，发送方都使用一个流密码加密算法产生相对应的一比特密钥流zi，然后用zi与xi异或掩盖明文而获得密文yi，即消息接收方接收到yi后，使用相同的方法和相同的密钥产生相同的密钥流比特zi，将zi与yi异或后即可恢复出明文xi，即然而传统的流密码加密算法的内部操作不易实现，内部置乱效果不佳，易受到攻击等不足，因此还需要对传统的流密码加密算法进行进一步的改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种安全强度高、算法简洁易于实现、以及存储代价小的4个非线性驱动的轻量级流密码加密方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下方案实现的：

4个非线性驱动的轻量级流密码加密方法，包括如下步骤：

（1）内部状态初始化阶段；

（1.1）随机选择1个可变的88比特的种子密钥K=（k1，k2，……，k88）、1个可变的88比特的初始向量V=（v1，v2，……，v80）、一个1个固定的80比特的常量值C=（c1，c2，……，c80）；

（1.2）将上述88比特的种子密钥K，88比特的初始向量V和80比特的常量值C注入一个256比特长的寄存器（s1，s2，……，s256）中，其中

寄存器（s1，s2，……，s64）的状态由比特（k1，k2，……，k22，v1，v2，……，v22，c1，c2，……，c20）注入，

寄存器（s65，s66，……，s128）的状态由比特（k23，k24，……，k44，v23，v24，……，v44，c21，c22，……，c40）注入，

寄存器（s129，s130……，s192）的状态由比特（k45，k46，……，k66，v45，v46，……，v66，c41，c42，……，c60）注入，

寄存器（s193，s194，……，s256）的状态由比特（k67，k68，……，k88，v67，v68，……，v88，c61，c62，……，c80）注入；

（1.3）对寄存器（s1，s2，……，s256）进行如下步骤1024次；

（a）开辟4个新的存储器（t1，t2，t3，t4），该存储器t1，t2，t3，t4的状态分别是从寄存器（s1，s2，……，s256）中选取不同的6个字进行平衡及2次项的组合后注入的，其中存储器t1的状态由s3，s62，s63，s64，s125,s189来决定；存储器t2的状态由s36，s126，s127，s128，s188,s252来决定；存储器t3的状态由s59，s158，s190，s191，s251来决定，存储器t4的状态由s21，s185，s268，s254，s255来决定；

（b）寄存器（s1，s2，……，s64）的状态更新为（t3，s1，s2，……，s63），

寄存器（s65，s66，……，s128）的状态更新为（t1，s65，s66，……，s127），

寄存器（s129，s130，……，s192）的状态更新为（t4，s129，s130，……，s191），

寄存器（s193，s194，……，s256）的状态更新为（t2，s193，s194，……，s255）；

（2）密钥流生成阶段；若需要生成的密钥流比特数N个，则执行以下步骤N次；

（2.1）开辟4个新的存储器（t1’，t2’，t3’，t4’），其中该新的存储器t1’，t2’，t3’，t4’的状态分别是从寄存器（s1，s2，……，s256）中选取不同的2个字进行线性组合后注入的，其中新的存储器t1’的状态由s32，s64来决定；新的存储器t2’的状态由s92，s128等来决定；新的存储器t3’的状态由s160，s192等来决定；新的存储器t4’的状态由s226，s256等来决定；

（2.2）将新的存储器t1’，t2’，t3’，t4’进行线性组合后，输出密钥流比特；

（2.3）分别更新新的存储器（t1’，t2’，t3’，t4’），即将新的存储器t1’，t2’，t3’，t4’的状态更新为由另一个新的存储器（t1’，t2’，t3’，t4’）之一和存储器（t1，t2，t3，t4）中对应选取的的6个字进行平衡及2次项的组合后注入；其中新的存储器t1’的状态由t3’，s3，s62，s63，s64，s125,s189来决定；新的存储器t2’的状态由t1’，s36，s126，s127，s128，s188,s252来决定；新的存储器t3’的状态由t4’，s59，s158，s190，s191，s251来决定，新的存储器t4’的状态由t2’，s21，s185，s268，s254，s255来决定；

（2.4）寄存器（s1，s2，……，s64）的状态更新为（t3’，s1，s2，……，s63）；

寄存器（s65，s66，……，s128）的状态更新为（t1’，s65，s66，……，s127）；

寄存器（s129，s130，……，s192）的状态更新为（t4’，s129，s130，……，s191）；

寄存器（s193，s194，……，s256）的状态更新为（t2’，s193，s194，……，s255）；

（3）加密阶段；其中Y_i为获得的密文，X_i为待加密的明文，Z_i密钥流比特；

上述各步骤中，表示异或运算，“·”表示与运算。

在步骤（1.1）中，种子密钥K为保密的，初始向量V为保密的或公开的。

在步骤（1.1）中，初始向量V为发送接收双方协商一致的值。

在步骤（1.1）中，常量值C具体为（1，0，1，0，……，1，0）。

在步骤（2）中，密钥流比特数N介于1～2⁵⁶之间。

在步骤（1.3）的（a）中，存储器t1的状态由 注入，存储器t2的状态由 注入，存储器t3的状态由 注入，存储器t4的状态由注入。

在步骤（2.1）中，新的存储器t1’的状态由注入，新的存储器t2’的状态由注入，新的存储器t3’的状态由注入，新的存储器t4’的状态由注入。

在步骤（2.2）中，输出密钥流比特

在步骤（2.3）中，新的存储器t1’的状态更新为 新的存储器t2’的状态更新为 新的存储器t3’的状态更新为 新的存储器t4’的状态更新为

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

（1）仅采用面向比特的异或和与运算“·”运算，内部操作容易实现；

（2）借鉴分组密码的多轮迭代思想，对初始化内部向量进行“多轮”比特混合置乱操作，从而能够快速达到置乱效果；

（3）新引入“分区交替扩散”和“多层混淆”的技术,快速完成种子密钥比特间混淆和扩散效果；

（4）所选的4个非线性驱动部件具有稳固的密码学性质以抵抗多种攻击，如平凡的统计攻击、边信道攻击、时空折中攻击等等；

（5）密钥生成阶段新引入双二次项进行非线性置乱，有效抵抗传统的内部状态恢复攻击；

（6）种子密钥长度为88比特具有高安全强度；

（7）算法简洁、容易软、硬件平行实现，特别适合资源受限环境下使用，比如无限传感器网络等；

（8）实现的存储代价小。

附图说明

图1为流密码加密方法使用示意图。

具体实施方式

一种4个非线性驱动的轻量级流密码加密方法，包括如下步骤：

第一阶段，内部状态初始化阶段。

（1.1）随机选择1个可变的88比特的种子密钥K=（k1，k2，……，k88）、1个可变的88比特的初始向量V=（v1，v2，……，v80）、一个1个固定的80比特的常量值C=（c1，c2，……，c80）。在本发明中，种子密钥K始终为保密的。初始向量V为发送接收双方协商一致的一个任意的值。初始向量V可以选择保密，也可以选择公开。在本实施例中，常量值C具体为（1，0，1，0，……，1，0）。

（1.2）将上述88比特的种子密钥K，88比特的初始向量V和80比特的常量值C注入一个256比特长的寄存器（s1，s2，……，s256）中。其中

寄存器（s1，s2，……，s64）的状态由比特（k1，k2，……，k22，v1，v2，……，v22，c1，c2，……，c20）注入，

寄存器（s65，s66，……，s128）的状态由比特（k23，k24，……，k44，v23，v24，……，v44，c21，c22，……，c40）注入，

寄存器（s129，s130……，s192）的状态由比特（k45，k46，……，k66，v45，v46，……，v66，c41，c42，……，c60）注入，

寄存器（s193，s194，……，s256）的状态由比特（k67，k68，……，k88，v67，v68，……，v88，c61，c62，……，c80）注入。

（1.3）对寄存器（s1，s2，……，s256）进行如下步骤1024（即4×256=1024）次。

（a）开辟4个新的存储器（t1，t2，t3，t4），其中

存储器t1的状态由s3，s62，s63，s64，s125,s189来决定，为了减少计算量，并提高安全强度，一般要求采用平衡及2次项的组合，比如采用：注入，

存储器t2的状态由s36，s126，s127，s128，s188,s252来决定，同样采用平衡及2次项的组合，比如采用：注入，

存储器t3的状态由s59，s158，s190，s191，s251来决定，同样采用平衡及2次项的组合，比如采用：注入，

存储器t4的状态由s21，s185，s268，s254，s255来决定，同样采用平衡及2次项的组合，比如采用：注入。

（b）寄存器（s1，s2，……，s64）的状态更新为（t3，s1，s2，……，s63），

寄存器（s65，s66，……，s128）的状态更新为（t1，s65，s66，……，s127），

寄存器（s129，s130，……，s192）的状态更新为（t4，s129，s130，……，s191），

寄存器（s193，s194，……，s256）的状态更新为（t2，s193，s194，……，s255）。

第二阶段，密钥流生成阶段。若需要生成的密钥流比特数N个，则执行以下步骤N次。在本发明中，输出的密钥流比特至少为1个、至多为2⁵⁶个，即N介于1～2⁵⁶之间。

（2.1）开辟4个新的存储器（t1’，t2’，t3’，t4’），其中

新的存储器t1’的状态由s32，s64来决定，为了计算快速，一般采用线性组合，比如采用：注入，

新的存储器t2’的状态由s92，s128等来决定，同样采用线性组合，比如注入，

新的存储器t3’的状态由s160，s192等来决定，同样采用线性组合，比如注入，

新的存储器t4’的状态由s226，s256等来决定，同样采用线性组合，比如注入。

（2.2）输出密钥流比特由t1’，t2’，t3’，t4’来决定，为了实现快速一般采用线性组合，比如采用：

（2.3）分别更新新的存储器（t1’，t2’，t3’，t4’），将新的存储器t1’，t2’，t3’，t4’的状态更新为由另一个新的存储器（t1’，t2’，t3’，t4’）之一和存储器（t1，t2，t3，t4）中对应选取的的6个字进行平衡及2次项的组合后注入；即

新的存储器t1’的状态更新为

新的存储器t2’的状态更新为

新的存储器t3’的状态更新为

新的存储器t4’的状态更新为

（2.4）寄存器（s1，s2，……，s64）的状态更新为（t3’，s1，s2，……，s63）。

寄存器（s65，s66，……，s128）的状态更新为（t1’，s65，s66，……，s127）。

寄存器（s129，s130，……，s192）的状态更新为（t4’，s129，s130，……，s191）。

寄存器（s193，s194，……，s256）的状态更新为（t2’，s193，s194，……，s255）。

（3）加密阶段。其中Y_i为获得的密文，X_i为待加密的明文，Z_i密钥流比特。该加密阶段与现有技术相同，参见图1。

Claims (5)

1.4个非线性驱动的轻量级流密码加密方法，其特征是包括如下步骤：

(1)内部状态初始化阶段；

(1.1)随机选择1个可变的88比特的种子密钥K＝(k1，k2，……，k88)、1个可变的88比特的初始向量V＝(v1，v2，……，v88)、一个1个固定的80比特的常量值C＝(c1，c2，……，c80)；

(1.2)将上述88比特的种子密钥K，88比特的初始向量V和80比特的常量值C注入一个256比特长的寄存器(s1，s2，……，s256)中，其中

寄存器(s1，s2，……，s64)的状态由比特(k1，k2，……，k22，v1，v2，……，v22，c1，c2，……，c20)注入，

寄存器(s65，s66，……，s128)的状态由比特(k23，k24，……，k44，v23，v24，……，v44，c21，c22，……，c40)注入，

寄存器(s129，s130……，s192)的状态由比特(k45，k46，……，k66，v45，v46，……，v66，c41，c42，……，c60)注入，

寄存器(s193，s194，……，s256)的状态由比特(k67，k68，……，k88，v67，v68，……，v88，c61，c62，……，c80)注入；

(1.3)对寄存器(s1，s2，……，s256)进行如下步骤1024次；

(a)开辟4个新的存储器(t1，t2，t3，t4)，该存储器t1，t2，t3，t4的状态分别是从寄存器(s1，s2，……，s256)中选取不同的5或6个比特进行平衡及2次项的组合后注入的，即：

存储器t1的状态由注入，

存储器t2的状态由注入，

存储器t3的状态由注入，

存储器t4的状态由注入；

(b)寄存器(s1，s2，……，s64)的状态更新为(t3，s1，s2，……，s63)，

寄存器(s65，s66，……，s128)的状态更新为(t1，s65，s66，……，s127)，

寄存器(s129，s130，……，s192)的状态更新为(t4，s129，s130，……，s191)，

寄存器(s193，s194，……，s256)的状态更新为(t2，s193，s194，……，s255)；

(2)密钥流生成阶段；若需要生成的密钥流比特数N个，则执行以下步骤N次；

(2.1)开辟4个新的存储器(t1’，t2’，t3’，t4’)，其中该新的存储器t1’，t2’，t3’，t4’的状态分别是从寄存器(s1，s2，……，s256)中选取不同的2个比特进行线性组合后注入的，即：

新的存储器t1’的状态由注入，

新的存储器t2’的状态由注入，

新的存储器t3’的状态由注入，

新的存储器t4’的状态由注入；

(2.2)将新的存储器t1’，t2’，t3’，t4’进行线性组合后，输出密钥流比特 $Z_i=t{1}^{,}\⊕t{2}^{,}\⊕t{3}^{,}\⊕t{4}^{,};$

(2.3)分别更新新的存储器(t1’，t2’，t3’，t4’)，即将新的存储器t1’，t2’，t3’，t4’的状态更新为由另一个更新前的新的存储器(t1’，t2’，t3’，t4’)之一和存储器(t1，t2，t3，t4)中对应选取的寄存器(s1，s2，……，s256)中的5或6个比特进行平衡及2次项的组合后注入；即：

新的存储器t1’的状态更新为

新的存储器t2’的状态更新为

新的存储器t3’的状态更新为

新的存储器t4’的状态更新为

(2.4)寄存器(s1，s2，……，s64)的状态更新为(t3’，s1，s2，……，s63)；

寄存器(s65，s66，……，s128)的状态更新为(t1’，s65，s66，……，s127)；

寄存器(s129，s130，……，s192)的状态更新为(t4’，s129，s130，……，s191)；

寄存器(s193，s194，……，s256)的状态更新为(t2’，s193，s194，……，s255)；

(3)加密阶段；其中Y_i为获得的密文比特，X_i为待加密的明文比特，Z_i为密钥流比特；

上述各步骤中，表示异或运算，·表示与运算。

2.根据权利要求1所述的4个非线性驱动的轻量级流密码加密方法，其特征是在步骤(1.1)中，种子密钥K为保密的，初始向量V为保密的或公开的。

3.根据权利要求1所述的4个非线性驱动的轻量级流密码加密方法，其特征是在步骤(1.1)中，初始向量V为发送接收双方协商一致的值。

4.根据权利要求1所述的4个非线性驱动的轻量级流密码加密方法，其特征是在步骤(1.1)中，常量值C具体为(1，0，1，0，……，1，0)。

5.根据权利要求1所述的4个非线性驱动的轻量级流密码加密方法，其特征是在步骤(2)中，密钥流比特数N介于1～2⁵⁶之间。