CN103746795A - 一种实现Magpie加解密的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现Magpie加解密的方法，Magpie密码算法分组长度为64位，密钥长度为96位，采用SPN结构，包含32轮运算。Magpie包括两部分：运算部分和控制部分。运算部分，每轮运算包括六个基本运算模块。控制部分，将密钥的第65位到96位作为Magpie加密算法的控制信号。控制信号用来控制轮内模块的运算顺序，而控制信号又是由密钥相应位的值随机决定，从而使加解密运算过程随机化。解密时将输入明文与初始密钥换成输入密文与变换后轮密钥，进行解密；采用密钥控制加解密方法，将密钥的第65位到96位二进制数作为Magpie加密算法的控制信号，这是一种新的控制方式，有效提高密码算法的安全性。

Description

一种实现Magpie加解密的方法
技术领域
本发明涉及信息安全技术中的密码算法领域，特别是涉及一种实现Magpie加解密的方法。
背景技术
物联网近几年越来越深入应用到人们的生产生活中，物联网安全也引起了大家的高度关注。适合物联网中资源受限的轻量级密码算法近几年不断在研究，特别是如何应用到资源受限的智能卡上，比如在RFID上实现加密。近年出现的轻量级加密算法有：PRESENT加密算法、PUFFIN加密算法、MIBS加密算法、PRINCE加密算法、LED加密算法、EPCBC加密算法、LBLOCK加密算法、Piccolo加密算法、Klein加密算法、Twine加密算法、PRINT加密算法等。
轻量级密码算法一般要满足以下要求：硬件实现面积少，相似的加解密对称过程，算法硬件与软件实现性能好，安全性高。现有的轻量级密码算法有些过于追求硬件实现占用面积少，降低算法运算轮数，从而导致设计出来的轻量级密码算法安全性相对较差；有的轻量级密码算法解密运算复杂，在解密运算过程中不能有效复用加密运算模块，还有一些轻量级密码算法密钥长度过短，导致容易攻击。
发明内容
本发明提供了一种实现Magpie加解密的方法，其目的在于通过由密钥作为控制信号控制轮内加密模块的运算顺序，使加密过程随机化，能够有效提高密码算法的自身安全性。
一种实现Magpie加解密的方法，包括以下几个步骤：
步骤1：将64位明文或64位密文加载至寄存器；
步骤2：将待加/解密数据与96位密钥前64位进行轮密钥加运算获得中间运算结果，依据控制信号对待加/解密数据进行32轮运算；
1）依据控制信号对中间运算结果进行轮运算操作；
当控制信号select0为1时，轮运算操作步骤如下：
2）对1）中所述的中间运算结果进行常数加运算；
3）对2）得到的运算结果采用S盒进行字节变换运算；
4）对3）得到的运算结果进行行移位变换运算；
5）对4）得到的运算结果进行列混合变换运算；
6）对5）得到的运算结果进行轮密钥加运算，然后更新密钥；
7）以6）得到的运算结果作为新的中间运算结果进行下一轮运算，如果到达第32轮运算操作，则输出当前运算结果完成加/解密操作，否则返回1）；
当控制信号select0为0时，轮运算操作步骤如下：
8）更新密钥，然后对1）中所述的中间运算结果进行轮密钥加运算；
9）对8）得到的运算结果进行列混合变换运算；
10）对9）得到的运算结果进行行移位变换运算；
11）对10）得到的运算结果采用S盒进行字节变换运算；
12）对11）得到的运算结果进行常数加运算；
13）对12）得到的运算结果作为新的中间运算结果进行下一轮运算，如果到达第32轮运算，则输出当前运算结果完成加/解密操作，否则返回1）；
所述的控制信号为96位密钥的第65位到96位二进制数，其中，96位密钥中第65位到第80位依次作为S盒变换控制信号select1，96位密钥中第81位到第96位均作为行移位、列混合以及轮内模块运算顺序的控制信号select0，每个控制信号select1、select0连续控制两轮轮运算；
所述密钥更新是将96位密钥前64位在每轮运算中做一次S盒变换，后32位保持不变；
所述常数加运算是指将待进行常数加运算的数据的第1位到第8位和第56位到第64位分别与常数加数组RC[i](0<=i<32)的第i个字节进行异或运算，i表示数组RC中的第i个元素，同时表示第i轮运算；
RC[i]=RC[31-i],(0<=i<32)，其数组元素如下：
byte RC[32]={
0x02,0x03,0x06,0x0A,
0x3C,0x92,0xA3,0x61,
0xA8,0xCD,0xFE,0x3B,
0x2C,0x6E,0x25,0x6D,
0x6D,0x25,0x6E,0x2C,
0x3B,0xFE,0xCD,0xA8,
0x61,0xA3,0x92,0x3C,
0x0A,0x06,0x03,0x02
};
进行解密操作时，与解密数据进行轮密钥加运算操作的96位密钥是通过将变换后轮密钥96位密钥中前64位二进制数不变，后32位二进制数先全部取反，然后再将取反操作的32位中后16位二进制数倒置后获得。
所述行移位变换运算操作是指将64位的输入数据以每4位作为一个矩阵元素构成一个4*4的矩阵state：
如果控制信号select0等于1，矩阵state的第一行循环左移一个半字节，第二行循环左移1个字节，第三行循环左移半个字节，第四行保持不动；
如果控制信号二进制数select0等于0，矩阵state的第一行循环右移一个半字节，第二行循环右移1个字节，第三行循环右移半个字节，第四行保持不动。
所述列混合变换运算操作是指将64位的输入数据以每4位作为一个矩阵元素构成一个4*4的矩阵state，固定矩阵R与矩阵state相乘：
如果控制信号select0等于0，固定矩阵M为
Figure BDA0000444686500000031
如果控制信号select0等于1，固定矩阵M’为
Figure BDA0000444686500000032
所述S盒变换操作受控于控制信号select1，当控制信号select1为0时，S盒为{5,e,f,8,c,1,2,d,b,4,6,3,0,7,9,a}，当select1为1时，S盒为{c,5,6,b,9,0,a,d,3,e,f,8,4,7,1,2}，96位密钥中第65位到第80位依次作为S盒变换控制信号select1。
有益效果
本发明提供了一种实现Magpie加解密的方法，Magpie密码算法分组长度为64位，密钥长度设计为96位，采用SPN(Substitution-Permutation Network,替代置换网络)结构，加密32轮。包括两个部分：运算部分和控制部分。运算部分：每轮运算包括六个基本运算模块：密钥更新(Updatekey)，常数加(AddConstants)，S盒变换(SubCells)，行移位(ShiftRows)，列混合(MixColumns)，轮密钥加(AddRoundKey)；将96位密钥的第65位到96位二进制数作为Magpie加密算法的控制信号，利用加密运算模块，只要将输入明文与初始密钥换成输入密文与变换后轮密钥，从而密文可以解密成明文；这种方式在加密模块基础上不增加资源情况下，简单、快速地实现解密运算；节省算法资源占用；
采用密钥控制加解密方式，将密钥的第65位到96位二进制数作为Magpie加密算法的控制信号，其中密钥第65位到第80位二进制数作为S盒变换控制信号，第81位到96位二进制数值作为行移位变换、列混合变换与每轮运算顺序的控制信号；每一位二进制数控制两轮运算。控制信号由输入密钥65位到96位的二进制数组成，用密钥控制密码算法加解密，这是一种新的控制方式，有效提高密码算法的安全性。
附图说明
图1为本发明实现Magpie加/解密的方法流程图；
图2为Magpie密码加密算法的C语言代码；
图3为Magpie密码算法行移位变换运算图；
图4为Magpie密码算法列混合变换运算图。
图5为Magpie密码算法密钥更新图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，为本发明实现Magpie加密的方法流程图，包括以下几个步骤：
步骤1：将64位明文或64位密文加载至寄存器；
步骤2：将待加/解密数据与96位密钥前64位进行轮密钥加运算获得中间运算结果，依据控制信号对待加/解密数据进行32轮运算；
1）依据控制信号对中间运算结果进行轮运算操作；
当控制信号select0为1时，轮运算操作步骤如下：
2）对1）中所述的中间运算结果进行常数加运算；
3）对2）得到的运算结果采用S盒进行字节变换运算；
4）对3）得到的运算结果进行行移位变换运算；
5）对4）得到的运算结果列混合变换运算；
6）对5）得到的运算结果进行轮密钥加运算，然后更新密钥；
7）以6）得到的运算结果作为新的中间运算结果进行下一轮运算，如果到达第32轮运算操作，则输出当前运算结果完成加/解密操作，否则返回1）；
当控制信号select0为0时，轮运算操作步骤如下：
8）更新密钥，然后对1）中所述的中间运算结果进行轮密钥加运算；
9）对8）得到的运算结果进行列混合变换运算；
10）对9）得到的运算结果进行行移位变换运算；
11）对10）得到的运算结果采用S盒进行字节变换运算；
12）对11）得到的运算结果进行常数加运算；
13）对12）得到的运算结果作为新的中间运算结果进行下一轮运算，如果到达第32轮运算，则输出当前运算结果完成加/解密操作，否则返回1）；
在实现过程中分为两个部分：运算部分和控制部分。
运算部分中每轮运算包括六个基本运算模块：密钥更新（Updatekey），常数加（AddConstants)，S盒变换（SubCells），行移位(ShiftRows)，列混合（MixColumns），轮密钥加(AddRoundKey)。
控制部分中所述的控制信号为96位密钥的第65位到96位二进制数，其中，96位密钥中第65位到第80位依次作为S盒变换控制信号select1，96位密钥中第81位到第96位均作为行移位、列混合以及轮内模块运算顺序的控制信号select0，每个控制信号select1、select0连续控制两轮轮运算；
控制信号控制轮内模块的运算顺序，而控制信号又是由密钥最后16位的二进制数决定，随输入密钥的更新而随机变化，从而提高了加/解密算法实现时的安全性。
Magpie密码算法不像AES、Klein等其他的加密算法加密模块运算流程是固定的；Magpie加密算法通过密钥第65位到96位的二进制数控制信号来控制轮运算中每个模块运算顺序，每轮Roundi(0<=i<32)运算中五个基本运算的顺序为：
当select0=1，模块运行的顺序为：
AddConstants→SubCells→ShiftRows→MixColumns→AddRoundKey;
当select0=0，模块运行的顺序为：
AddRoundKey→MixColumns→ShiftRows→SubCells→AddConstants。
所述更新密钥是将96位密钥前64位在每轮运算中做一次S盒变换，后32位保持不变；
密钥更新构造如下，其流程如图5所示：
密钥更新构造：构造分为两个步骤。1.对输入密钥第1位到64位进行S盒（SubCells）变换，达到密钥混淆与扩散目的；2.对输入密钥第65位到96位保持不变；密钥进行密钥更新操作，运算为32轮；
密钥更新的密钥运算过程：密钥第1位到64位参与轮密钥加运算，密钥第65位到96位为Magpie密码算法的控制信号来控制算法加解密。
所述常数加运算是指将待进行常数加运算数据的第1位到第8位和第56位到第64位分别与常数加数组RC[i](0<=i<32)的第i个字节进行异或运算，i表示数组RC中的第i个元素，同时表示第i轮运算；
RC[i]=RC[31-i]，(0<=i<32)，其数组元素如下：
byte RC[32]={
0x02,0x03,0x06,0x0A,
0x3C,0x92,0xA3,0x61,
0xA8,0xCD,0xFE,0x3B,
0x2C,0x6E,0x25,0x6D,
0x6D,0x25,0x6E,0x2C,
0x3B,0xFE,0xCD,0xA8,
0x61,0xA3,0x92,0x3C,
0x0A,0x06,0x03,0x02
}；
进行加密操作时，其算法用C语言描述如图2所示。
进行解密操作时，与解密数据进行轮密钥加运算操作的96位密钥是通过将变换后轮密钥96位密钥中前64位二进制数不变，后32位二进制数先全部取反，然后再将取反操作的32位中后16位二进制数倒置后获得。
Magpie密码算法的解密输入变换后轮密钥实现过程：
Magpie解密实现是输入密文与变换后轮密钥；变换后轮密钥是加密32轮后输出的更新密钥；输出的更新密钥变换为前64位二进制数不变，后32位二进制数先全部取反，然后再将32位中后16位二进制数倒置；
具体操作如下：记k为key;
第1）步：将key第65位到96位二进制数取反（即1变成0，0变成1）；
第2）步：再将第1）步结果的后16位二进制数倒置（k80k81k82......k93k94k95→k95k94k93......k82k81k80)。
所述行移位变换运算操作是指将64位的输入数据以每4位作为一个矩阵元素构成一个4*4的矩阵state，如图3所示：
如果控制信号select0等于1，矩阵state的第一行循环左移一个半字节，第二行循环左移1个字节，第三行循环左移半个字节，第四行保持不动；
如果控制信号二进制数select0等于0，矩阵state的第一行循环右移一个半字节，第二行循环右移1个字节，第三行循环右移半个字节，第四行保持不动。
所述列混合变换运算操作是指将64位的输入数据以每4位作为一个矩阵元素构成一个4*4的矩阵state，固定矩阵R与矩阵state相乘，如图4所示：
如果控制信号select0等于0，固定矩阵M为
如果控制信号二进制数select0等于1，固定矩阵M’为
Figure BDA0000444686500000072
所述S盒变换操作受控于控制信号select1，当控制信号select1为0时，S盒为{5,e,f,8,c,1,2,d,b,4,6,3,0,7,9,a}，当select1为1时，S盒为{c,5,6,b,9,0,a,d,3,e,f,8,4,7,1,2}，96位密钥中第65位到第80位依次作为S盒变换控制信号select1；
在Magpie密码算法中S盒构造为4×4的S盒；而4×4的S盒应用实现所需逻辑门的个数是8×8的S盒四十分之一；Magpie密码算法S盒构造体现了轻量级密码算法面积资源占用少的特点；
Magpie中的S盒构造一个二维数组，举例给出其中Sbox[2][16]数组如下：
Sbox[2][16]={
5,e,f,8,c,1,2,d,b,4,6,3,0,7,9,a,
c,5,6,b,9,0,a,d,3,e,f,8,4,7,1,2
};
S盒：
Figure BDA0000444686500000073
：yj=Sbox[1][Sbox[0][xj]]；yj=Sbox[0][Sbox[1][xj]]；(0<=j<16)。是指特征值为2的二元域上4位端输入，4位端输出的变换运算，具体相关运算由后续公式确定。
Magpie密码算法中将运算中间结果state记作：state=x0||x1||......||x14||x15。每轮运算中明文S盒变换运算为：state=Sbox[key[64+j]][xj];(0<=j<16,j从0-15同时运算)；
Magpie密码算法中密钥key分为非控制部分key[0-63]与控制部分key[64-95]，其中非控制部分key[0-63]记作：key[0-63]=n0||n1||......||n14||n15。每轮密钥更新S盒变换定义如下：key=Sbox[key[64+j]][nj]||key[64-95];(0<=j<16，j从0-15同时运算)，以key[64-80]作为S盒变换控制信号select1；
上式中，x与n均为4位二进制数。
总结：
将Magpie加密算法每轮加密记做Ri(0<=i<32),则加密过程如下(其中下面P代表明文规定Plaintext，C代表密文Ciphertext，key代表原始密钥)：
P→R0(key[80])→R1(key[80])→R2(key[81])→R3(key[81])……→R28(key[94])→R29(key[94])→R30(key[95])→R31(key[95])→C；
将密钥按照如下规则修改后则为解密运算:
获得解密密钥：
1）将原始密钥做32轮密钥更新得到解密密钥；
2）将1）得到密钥最后32位二进制数取反（即1变成0，0变成1）；
3）将2）得到密钥最后16位二进制数倒置（k80k81k82......k93k94k95）→(k95k94k93......k82k81k80)。
Magpie解密运算过程如下(其中下面P代表明文Plaintext，C代表密文Ciphertext，key’代表解密密钥)：
C→R0(key’[80])→R1(key’[80])→R2(key’[81])→R3(key’[81])……→R28(key’[94])→R29(key’[94])→R30(key’[95])→R31(key’[95])→P；
Magpie密码算法测试向量如下：
Plaintext key Ciphertext
0123_4567_89AB_CDEF 0123_4567_89AB_CDEF_0123_4567 6080_CCAF_9A77_9036
6080_CCAF_9A77_9036 9C2B_1467_35A8_EDCF_FEDC_195D 0123_4567_89AB_CDEF
A5DE_14CF_3BB5_8740 0876_7877_CB53_381B_77E6_4B65 5641_00CD_1A54_FDE8
5641_00CD_1A54_FDE8 9B76_7B77_139B_BB48_8819_592D A5DE_14CF_3BB5_8740
按照本发明所提出的方法，利用给出的测试向量，实现者对给定的明文进行加密处理，即可得到测试向量中所述的密文。
以上结合具体实施例对本发明进行了详细的说明，这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可以作出许多变形和改进，这些也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种实现Magpie加解密的方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤1：将64位明文或64位密文加载至寄存器；
步骤2：将待加/解密数据与96位密钥前64位进行轮密钥加运算获得中间运算结果，依据控制信号对待加/解密数据进行32轮运算；
1）依据控制信号对中间运算结果进行轮运算操作；
当控制信号select0为1时，轮运算操作步骤如下：
2）对1）中所述的中间运算结果进行常数加运算；
3）对2）得到的运算结果采用S盒进行字节变换运算；
4）对3）得到的运算结果进行行移位变换运算；
5）对4）得到的运算结果进行列混合变换运算；
6）对5）得到的运算结果进行轮密钥加运算，然后密钥更新；
7）以6）得到的运算结果作为新的中间运算结果进行下一轮运算，如果到达第32轮运算操作，则输出当前运算结果完成加/解密操作，否则返回1）；
当控制信号select0为0时，轮运算操作步骤如下：
8）密钥更新，然后对1）中所述的中间运算结果进行轮密钥加运算；
9）对8）得到的运算结果进行列混合变换运算；
10）对9）得到的运算结果进行行移位变换运算；
11）对10）得到的运算结果采用S盒进行字节变换运算；
12）对11）得到的运算结果进行常数加运算；
13）对12）得到的运算结果作为新的中间运算结果进行下一轮运算，如果到达第32轮运算，则输出当前运算结果完成加/解密操作，否则返回1）。
所述的控制信号为96位密钥的第65位到96位二进制数，其中，96位密钥中第65位到第80位依次作为S盒变换控制信号select1，96位密钥中第81位到第96位均作为行移位、列混合以及轮内模块运算顺序的控制信号select0，每个控制信号select1、select0连续控制两轮轮运算；
所述密钥更新是将96位密钥前64位在每轮运算中做一次S盒变换，后32位保持不变；
所述常数加运算是指将待进行常数加运算的数据的第1位到第8位和第56位到第64位分别与常数加数组RC[i](0<=i<32)的第i个字节进行异或运算，i表示数组RC中的第i个元素，同时表示第i轮运算；
RC[i]=RC[31-i],(0<=i<32)，其数组元素如下：
byte RC[32]={
0x02,0x03,0x06,0x0A,
0x3C,0x92,0xA3,0x61,
0xA8,0xCD,0xFE,0x3B,
0x2C,0x6E,0x25,0x6D,
0x6D,0x25,0x6E,0x2C,
0x3B,0xFE,0xCD,0xA8,
0x61,0xA3,0x92,0x3C,
0x0A,0x06,0x03,0x02
};
进行解密操作时，与解密数据进行轮密钥加运算操作的96位密钥是通过将变换后轮密钥96位密钥中前64位二进制数不变，后32位二进制数先全部取反，然后再将取反操作的32位中后16位二进制数倒置后获得。
2.根据权利要求1所述的实现Magpie加解密的方法，其特征在于，所述行移位变换运算操作是指将64位的输入数据以每4位作为一个矩阵元素构成一个4*4的矩阵state：
如果控制信号select0等于1，矩阵state的第一行循环左移一个半字节，第二行循环左移1个字节，第三行循环左移半个字节，第四行保持不动；
如果控制信号二进制数select0等于0，矩阵state的第一行循环右移一个半字节，第二行循环右移1个字节，第三行循环右移半个字节，第四行保持不动。
3.根据权利要求2所述的实现Magpie加解密的方法，其特征在于，所述列混合变换运算操作是指将64位的输入数据以每4位作为一个矩阵元素构成一个4*4的矩阵state，固定矩阵R与矩阵state相乘：
如果控制信号select0等于0，固定矩阵M为
Figure FDA0000444686490000021
如果控制信号select0等于1，固定矩阵M’为
Figure FDA0000444686490000022
4.根据权利要求1-3任一项所述的实现Magpie加解密方法，其特征在于，所述S盒变换操作受控于控制信号select1，当控制信号select1为0时，S盒为{5,e,f,8,c,1,2,d,b,4,6,3,0,7,9,a}，当select1为1时，S盒为{c,5,6,b,9,0,a,d,3,e,f,8,4,7,1,2}，96位密钥中第65位到第80位依次作为S盒变换控制信号select1。
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