CN105391546A - 基于双伪随机变换和Feistel结构的轻量级分组密码技术VHF - Google Patents
基于双伪随机变换和Feistel结构的轻量级分组密码技术VHF Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种轻量级分组密码技术VHF,基于双伪随机变换和Feistel结构,应用于无线通信与信息安全保密领域。通过产生由256个字节随机排列组成的加密变换表S[256],简化S盒的设计,并用于算法的密钥扩展和迭代加密。先对64bit分组数据的每个字节进行伪随机变换,从而实现混乱;再对数据的每个斜对角线进行伪随机变换,同时实现扩散和混乱。差分分析、线性分析、不可能差分分析表明,VHF满足轻量级密码的安全需求。测试分析表明,VHF的软件效率和硬件实现都优于同为面向8位平台的国际标准CLEFIA算法。本发明设计了一个面向低成本8位嵌入式移动终端的安全高效轻量级分组密码。
Description
一、技术领域
本发明是保密通信领域的一种轻量级分组密码技术,主要用于无线通信中低成本嵌入式移动终端的安全保密。
二、背景技术
近年来,大量安全和高性能的分组密码设计推动了密码学的发展,例如,AES、RC6、Camellia和SHACAL2等。然而,随着无线网络技术的发展,普通的分组密码难以满足资源受限的移动终端,需要轻量级密码,以满足软硬件、计算能力和能耗等资源受限终端的需求。CLEFIA和PRESENT作为轻量级分组密码的2个国际标准,就是面向资源受限环境的。CLEFIA分组长度为128bits,支持128、192、256bits密钥,迭代轮数相应是18、22、26轮,采用广义Feistel结构,能抗击当前已知的攻击方法,它的硬件实现需要5979个GE(等效门电路)数,硬件实现所需的GE数较大。而超轻量级分组密码算法PRESENT,其分组长度为64bits,支持80、128bits密钥,采用31轮的SP结构,能抵抗当前的攻击方法。PRESENT在硬件实现上表现优秀,需要1570个GE数,但它的软件效率不高。
本发明的轻量级分组密码VHF在满足安全性的基础上,提高了软件效率并兼顾了硬件效率,从而更加实用。
三、发明内容
【发明目的】
为了弥补现有算法的不足,本发明提供了一种轻量级分组密码技术VHF,以解决现有轻量级分组密码的综合效率问题,提高无线通信安全中低成本嵌入式移动终端的效用。
【技术方案】
本发明所述的轻量级分组密码VHF采用Feiste]结构,分组长度为128-bit,支持长度为80、128比特的密钥,相应的迭代轮数分别为r=14、16轮。VHF的加密过程包括以下步骤。
(1)加密变换表S盒产生。S盒采用伪随机变换的方法产生。先计算T(i)=「|256sini|,其中「」表示向下取整运算;为了产生不重复的256个字节,i的取值由1到30000,遇到重复的排除,直到产生全部不重复的256个字节为止。加密变换表S[256]是256个字节的一个伪随机排列,由T中字节轮换得到:S[T(j)]=T(j+1),S[T(255)]=T(0);其中0≤j≤254。
(2)密钥扩展。VHF支持长度为80、128bits的密钥,相应的迭代轮数分别为r=14、16轮,分别扩展为64*14、64*16bits的密钥。通过递推进行密钥扩展,将L字节的密钥K扩展成8r字节。扩展密钥Key=K0|K1|...|Ki|...|Kr-1=k0|k1|...|kj|...|k8r-1,每个Ki为8字节,0≤i≤r-1;每个kj为1字节,0≤j≤8r-1。扩展密钥Key的前L字节就是密钥K:K=k0|k1|…|kL-1,L≤j≤8r-1时,扩展密钥Key中的ki由ki-L和ki-1两个字节递推得到,即
(3)迭代加密。VHF先将128bits的初始明文P分成左右两半L0|R0,然后采用Feistel结构进行r轮迭代加密。每轮加密过程为:)。其中轮函数F采用双伪随机变换,即行伪随机变换+斜对角线为随机变换。每轮迭代加密时,先将右半部分Ri-1与该轮的子密钥Ki-1进行异或:其中1≤i≤r。然后对数据进行行伪随机变换,即对数据的每个字节用S盒进行伪随机变换:Mi(j)=S[Ci-1(j)],其中Mi(j)表示Mi的第j个字节,0≤j≤7。再把64bit数据Mi排成8*8的方阵,对Mi的每个斜对角线用S盒进行伪随机变换:
Pi(0)=S{[Mi(0)&128|[Mi(1)&64]|[Mi(2)&32]|[Mi(3)&16]
|[Mi(4)&8]|[Mi(5)&4]|[Mi(6)&2]|[Mi(7)&1]}
Pi(1)=S{[Mi(1)&128|[Mi(2)&64]|[Mi(3)&32]|[Mi(4)&16]
|[Mi(5)&8]|[Mi(6)&4]|[Mi(7)&2]|[Mi(8)&1]}
Pi(2)=S{[Mi(2)&128|[Mi(3)&64]|[Mi(4)&32]|[Mi(5)&16]
|[Mi(6)&8]|[Mi(7)&4]|[Mi(0)&2]|[Mi(1)&1]}
Pi(3)=S{[Mi(3)&128|[Mi(4)&64]|[Mi(5)&32]|[Mi(6)&16]
|[Mi(7)&8]|[Mi(0)&4]|[Mi(1)&2]|[Mi(2)&1]}
Pi(4)=S{[Mi(4)&128|[Mi(5)&64]|[Mi(6)&32]|[Mi(7)&16]
|[Mi(0)&8]|[Mi(1)&4]|[Mi(2)&2]|[Mi(3)&1]}
Pi(5)=S{[Mi(5)&128|[Mi(6)&64]|[Mi(7)&32]|[Mi(0)&16]
|[Mi(1)&8]|[Mi(2)&4]|[Mi(3)&2]|[Mi(4)&1]}
Pi(6)=S{[Mi(6)&128|[Mi(7)&64]|[Mi(0)&32]|[Mi(1)&16]
|[Mi(2)&8]|[Mi(3)&4]|[Mi(4)&2]|[Mi(5)&1]}
Pi(7)=S{[Mi(7)&128|[Mi(0)&64]|[Mi(1)&32]|[Mi(2)&16]
|[Mi(3)&8]|[Mi(4)&4]|[Mi(5)&2]|[Mi(6)&1]}
再将上述输出Pi与Li-1进行异或:,Li=Ri-1。
最后1轮加密后的输出Lr|Rr即为128bits密文C。
Feistel结构本身就是可逆的,解密过程将加密过程反过来即可。
【有益效果】
VHF对当前已知的攻击方法达到足够的免疫力并且在硬件实现和软件效率上呈现高效性。与现有技术相比,VHF的有益效果表现在以下几方面。
(1)软件效率。在Intel(R)、Core(TM)、CPU为i7-3610QM、主频2.3GHz、内存8GB、C语言编程环境下对VHF进行了实现,并将它们与MIBS、CLEFIA和PRESENT等算法的效率进行比较,如表1所示。可以看出VHF的软件效率明显高于其它轻量级分组密码。
表1
(2)硬件实现。VHF与其他轻量级分组密码的硬件实现所需要的门电路数如表1所示。可以看出,VHF的软件效率和硬件实现都优于同为面向8位平台的国际标准CLEFIA。虽然VHF的硬件实现代价略高于国际标准PRESENT,但软件效率远远优于PRESENT。总的来说,VHF兼顾了软件和硬件实现,既能满足RFID等资源极端受限环境的硬件使用需求,也可以满足其它的一些诸如嵌入式、单片机等环境对软件实现的需求。另外,虽然VHF的硬件代价略高于PRESENT,但VHF的分组长度是PRESENT的2倍,即一次性加密的数据长度是PRESENT的2倍。
(3)安全性:通过差分分析、线性分析及不可能差分分析对VHF进行了安全性验证。
a)差分分析:通过计算可得VHF函数的S盒的最大差分概率是2-3.415,通过程序计算VHF函数前10轮的活动S盒的个数DS,如表2所示。由此可得VHF函数的7轮最大差分概率为。当迭代轮数大7轮时,找不到一个有效的差分特征进行分析,所以完整轮数的VHF函数可以抵抗差分分析。
b)线性分析:通过计算可得VHF函数的S盒的最大线性概率是2-2.83,通过程序计算VHF函数前10轮的活动S盒的个数LS,如表2所示。由此可得VHF函数的7轮最大线性概率为。当迭代轮数大于7轮时,找不到一个有效的线性特征进行分析,所以完整轮数的VHF函数可以抵抗线性分析。
表2
c)不可能差分分析:J.Kim等发明了一种矩算法μ-method用来对分组密码的结构进行不可能差分分析,该方法能够找到不同的不可能差分路径。采用此方法对VHF进行不可能差分分析,得到最大轮数为6轮,找到了8条不可差分路径。
式中:α∈GF(28)表示非零差分。由此可知,不可能差分分析对VHF攻击无效。
四、附图说明
图1Feistel结构示意图
图2P置换过程
五、具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
本发明所述的轻量级分组密码VHF采用Feiste]结构,如图1所示。分组长度为128-bit,支持长度为80、128比特的密钥,相应的迭代轮数分别为r=14、16轮。VHF的加密过程包括以下步骤。
(1)加密变换表S盒产生。S盒采用伪随机变换的方法产生。先计算T(i)=「|256sini|,其中「」表示向下取整运算;为了产生不重复的256个字节,i的取值由1到30000,遇到重复的排除,直到产生全部不重复的256个字节为止。加密变换表S[256]是256个字节的一个伪随机排列,由T中字节轮换得到:S[T(j)]=T(j+1),S[T(255)]=T(0);其中0≤j≤254。
(2)密钥扩展。VHF支持长度为80、128bits的密钥,相应的迭代轮数分别为r=14、16轮,分别扩展为64*14、64*16bits的密钥。通过递推进行密钥扩展,将L字节的密钥K扩展成8r字节。扩展密钥Key=K0|K1|...|Ki|...|Kr-1=k0|k1|...|kj|...|k8r-1,每个Ki为8字节,0≤i≤r-1;每个kj为1字节,0≤j≤8r-1。扩展密钥Key的前L字节就是密钥K:K=k0|k1|…|kL-1,L≤j≤8r-1时,扩展密钥Key中的ki由ki-L和ki-1两个字节递推得到,即
(3)迭代加密。VHF先将128bits的初始明文P分成左右两半L0|R0,然后采用Feistel结构进行r轮迭代加密。每轮加密过程为:其中轮函数F采用双伪随机变换,即行伪随机变换+斜对角线为随机变换。每轮迭代加密时,先将右半部分Ri-1与该轮的子密钥Ki-1进行异或:,其中1≤i≤r。然后对数据进行行伪随机变换,即对数据的每个字节用S盒进行伪随机变换:Mi(j)=S[Ci-1(j)],其中Mi(j)表示Mi的第j个字节,0≤j≤7。再把64bit数据Mi排成8*8的方阵,对Mi的每个斜对角线用S盒进行伪随机变换,如图2所示:
Pi(0)=S{[Mi(0)&128|[Mi(1)&64]|[Mi(2)&32]|[Mi(3)&16]
|[Mi(4)&8]|[Mi(5)&4]|[Mi(6)&2]|[Mi(7)&1]}
Pi(1)=S{[Mi(1)&128|[Mi(2)&64]|[Mi(3)&32]|[Mi(4)&16]
|[Mi(5)&8]|[Mi(6)&4]|[Mi(7)&2]|[Mi(8)&1]}
Pi(2)=S{[Mi(2)&128|[Mi(3)&64]|[Mi(4)&32]|[Mi(5)&16]
|[Mi(6)&8]|[Mi(7)&4]|[Mi(0)&2]|[Mi(1)&1]}
Pi(3)=S{[Mi(3)&128|[Mi(4)&64]|[Mi(5)&32]|[Mi(6)&16]
|[Mi(7)&8]|[Mi(0)&4]|[Mi(1)&2]|[Mi(2)&1]}
Pi(4)=S{[Mi(4)&128|[Mi(5)&64]|[Mi(6)&32]|[Mi(7)&16]
|[Mi(0)&8]|[Mi(1)&4]|[Mi(2)&2]|[Mi(3)&1]}
Pi(5)=S{[Mi(5)&128|[Mi(6)&64]|[Mi(7)&32]|[Mi(0)&16]
|[Mi(1)&8]|[Mi(2)&4]|[Mi(3)&2]|[Mi(4)&1]}
Pi(6)=S{[Mi(6)&128|[Mi(7)&64]|[Mi(0)&32]|[Mi(1)&16]
|[Mi(2)&8]|[Mi(3)&4]|[Mi(4)&2]|[Mi(5)&1]}
Pi(7)=S{[Mi(7)&128|[Mi(0)&64]|[Mi(1)&32]|[Mi(2)&16]
|[Mi(3)&8]|[Mi(4)&4]|[Mi(5)&2]|[Mi(6)&1]}
再将上述输出Pi与Li-1进行异或:Li=Ri-1。
最后1轮加密后的输出LrRr即为128bits密文C。
Feistel结构本身就是可逆的,解密过程将加密过程反过来即可。
Claims (4)
1.一种基于双伪随机变换和Feistel结构的轻量级分组密码技术VHF,其总体特征是有3个参数:128bits明文P,密钥K,128bits密文C;VHF的加密过程包括以下步骤:
(1)加密变换表S盒产生:S盒是256个字节的一个伪随机排列;
(2)密钥扩展:VHF支持长度为80、128bits的密钥,分别扩展为64*14、64*16bits的密钥;
(3)迭代加密:对于长度为80、128bits的密钥,相应的迭代轮数分别为r=14、16轮。
2.根据权利要求1所述的轻量级分组密码VHF,其特征在于步骤(1)中的S盒采用伪随机变换的方法产生:先计算T(i)=「|256sini|」,其中「」表示向下取整运算;为了产生不重复的256个字节,i的取值由1到30000,遇到重复的排除,直到产生全部不重复的256个字节为止;加密变换表S[256]是256个字节的一个伪随机排列,由T中字节轮换得到:S[T(j)]=T(j+1),S[T(255)]=T(0),其中0≤j≤254。
3.根据权利要求1所述的轻量级分组密码VHF,其特征在于步骤(2)中通过递推进行密钥扩展,将L字节的密钥K扩展成8r字节,其中对于10、16字节的密钥K,相应的迭代轮数分别为r=14、16轮;扩展密钥Key=K0|K1|...|Ki|...|Kr-1=k0|k1|...|kj|...|k8r-1,每个Ki为8字节,0≤i≤r-1;每个kj为1字节,0≤j≤8r-1;扩展密钥Key的前L字节就是密钥K:K=k0|k1|...|kL-1,L≤j≤8r-1时,扩展密钥Key中的kj由kj-L和kj-1两个字节递推得到,即
4.根据权利要求1所述的轻量级分组密码VHF,其特征在于步骤(3)中的迭代加密基于Feistel结构和双伪随机变换:先将128bits的初始明文P分成左右两半L0|R0,然后采用Feistel结构进行r轮迭代加密;每轮迭代加密时,先将右半部分Ri-1与该轮的子密钥Ki-1进行异或:其中1≤i≤r;
然后对数据进行行伪随机变换,即对数据的每个字节用S盒进行伪随机变换:Mi(j)=S[Ci-1(j)],其中Mi(j)表示Mi的第j个字节,0≤j≤7;
再把64bit数据Mi排成8*8的方阵,对Mi的每个斜对角线用S盒进行伪随机变换:
Pi(0)=S{[Mi(0)&128|[Mi(1)&64]|[Mi(2)&32]|[Mi(3)&16]
|[Mi(4)&8]|[Mi(5)&4]|[Mi(6)&2]|[Mi(7)&1]};
Pi(1)=S{[Mi(1)&128|[Mi(2)&64]|[Mi(3)&32]|[Mi(4)&16]
|[Mi(5)&8]|[Mi(6)&4]|[Mi(7)&2]|[Mi(8)&1]};
Pi(2)=S{[Mi(2)&128|[Mi(3)&64]|[Mi(4)&32]|[Mi(5)&16]
|[Mi(6)&8]|[Mi(7)&4]|[Mi(0)&2]|[Mi(1)&1]};
Pi(3)=S{[Mi(3)&128|[Mi(4)&64]|[Mi(5)&32]|[Mi(6)&16]
|[Mi(7)&8]|[Mi(0)&4]|[Mi(1)&2]|[Mi(2)&1]};
Pi(4)=S{[Mi(4)&128|[Mi(5)&64]|[Mi(6)&32]|[Mi(7)&16]
|[Mi(0)&8]|[Mi(1)&4]|[Mi(2)&2]|[Mi(3)&1]};
Pi(5)=S{[Mi(5)&128|[Mi(6)&64]|[Mi(7)&32]|[Mi(0)&16]
|[Mi(1)&8]|[Mi(2)&4]|[Mi(3)&2]|[Mi(4)&1]};
Pi(6)=S{[Mi(6)&128|[Mi(7)&64]|[Mi(0)&32]|[Mi(1)&16]
|[Mi(2)&8]|[Mi(3)&4]|[Mi(4)&2]|[Mi(5)&1]};
Pi(7)=S{[Mi(7)&128|[Mi(0)&64]|[Mi(1)&32]|[Mi(2)&16]
|[Mi(3)&8]|[Mi(4)&4]|[Mi(5)&2]|[Mi(6)&1]}
再将上述输出pi与Li-1进行异或:Li=Ri-1;
最后1轮加密后的输出Lr|Rr即为128bits密文C。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20160309 |