CN106209358A - 一种基于长密钥的sm4密钥扩展算法的实现系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于长密钥的SM4密钥扩展算法的实现系统及其方法，系统包括混沌映射模块、数据缓存模块、异或模块、非线性置换S盒模块和线性变换L模块；所述混沌映射模块输入为部分初始密钥，通过利用混沌映射的多次迭代，产生具有良好随机性的伪随机序列作为原SM4密钥扩展算法的输入，通过对混沌性能和硬件实现资源消耗的考虑，混沌映射模块选择Logistic映射；本发明将混沌映射融入到SM4密钥扩展算法中。通过对SM4密钥扩展算法的优化，不仅增大了SM4算法的密钥空间，还增强了每轮子密钥的随机性。

Description

一种基于长密钥的SM4密钥扩展算法的实现系统及其方法
技术领域
本发明涉及信息安全领域，具体涉及一类基于长密钥的SM4密钥扩展算法的实现系统及其方法。
背景技术
SM4算法是国内广泛使用的WAPI无线网络标准算法中使用的加密算法。SM4算法原名为SMS4算法，在2012年被国家商用密码管理局确定为国家密码行业标准，标准编号GM/T0002-2012并且改名为SM4算法。SM4分组密码算法与SM2椭圆曲线公钥密码算法、SM3密码杂凑算法共同作为国家密码行业标准，在我国密码行业有着重要的位置。
密钥长度决定密钥空间的大小。密钥空间是保障加密算法不受穷举法破解的最基本的安全保障。现在使用的128位密钥的分组加密算法足够安全，并广泛运用在各个需要加密的环境中，例如AES-128、SM4、Camellia-128等。随着现在计算机运算速度成倍的增加，特别是量子计算机的突飞猛进。在未来几十年内，具有128位密钥空间的加密算法也存在着被破译的可能。使用256位密钥的分组加密算法如AES-256、Camellia-256等被称为“高级算法”，使用现存量子算法并配合量子计算机也无法破解。相对AES和Camellia算法而言，SM4算法存在着密钥空间较小的安全隐患。
发明内容
基于以上不足之处，本发明提供一种基于长密钥的SM4密钥扩展算法的实现系统及其方法，解决了现在SM4算法存在的密钥空间较小的安全隐患。
本发明所采用如下技术：一种基于长密钥的SM4密钥扩展算法的实现系统，包括混沌映射模块、数据缓存模块、异或模块、非线性置换S盒模块和线性变换L模块，所述混沌映射模块输入为部分初始密钥，通过利用混沌映射的多次迭代，产生具有良好随机性的伪随机序列作为原SM4密钥扩展算法的输入，通过对混沌性能和硬件实现资源消耗的考虑，混沌映射模块选择Logist ic映射；
所述异或模块为多输入异或逻辑门电路；
所述非线性置换S盒模块共使用四个并行的8输入的S盒，每个并行的S盒对输入的8比特数地址进行寻址，输出存储在S盒中的8比特数据；
所述线性变换L模块是简单地移位和异或操作。
本发明还具有如下技术特征：采用如上所述的实现系统得出的一种基于长密钥的SM4密钥扩展算法的实现方法，包括如下步骤：
步骤1001：数据缓存模块接收128位初始密钥。将接收到的初始密钥分成4个32比特的数据，并分别缓存起来。Logistic混沌映射模块接收剩余初始密钥，输出伪随机序列。
步骤1002：将数据缓存模块中的4个32比特的数据中选取3个和Logistic混沌映射模块产生的伪随机序列异或，得到最终的32比特数据。
步骤1003：将步骤1002中最终生成的32比特数据划分成4个8比特数据，并分别作为寻址地址输入到4个并行8输入的S盒中。最后将得到置换后的4个8比特数进行位拼接，形成新的32比特数。
步骤1004：将步骤1003中最终得到的32比特数分别同时循环移位不同位数，并与步骤1002中数据缓存模块剩余的一个32比特数异或，得到最终的32比特数。该32比特数置换数据缓存模块中的一个32比特数，并缓存起来。
步骤1005：重复步骤1002至步骤1004共32次，并停止输出。
本发明通过引入混沌系统Logistic映射，加强了每轮子密钥的随机性，增大了SM4算法的密钥空间，解决了现在SM4算法存在的密钥空间较小的安全隐患。
附图说明
图1为本发明的一种基于长密钥的SM4密钥扩展算法的实现框图；
图2为本发明实施例提供的Logistic混沌映射实现框图；
图3为本发明的一种基于长密钥SM4的密钥扩展算法的实现系统结构图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种基于长密钥的SM4密钥扩展算法的实现系统，包括混沌映射模块、数据缓存模块、异或模块、非线性置换S盒模块和线性变换L模块，所述混沌映射模块输入为部分初始密钥，通过利用混沌映射的多次迭代，产生具有良好随机性的伪随机序列作为原SM4密钥扩展算法的输入，通过对混沌性能和硬件实现资源消耗的考虑，混沌映射模块选择Logist ic映射；
所述异或模块为多输入异或逻辑门电路；
所述非线性置换S盒模块共使用四个并行的8输入的S盒，每个并行的S盒对输入的8比特数地址进行寻址，输出存储在S盒中的8比特数据；
所述线性变换L模块是简单地移位和异或操作。
实施例2
如图3所示，采用实施例1的系统得出的一种基于长密钥的SM4密钥扩展算法的实现方法，包括下步骤：
步骤1001：将初始密钥分为两个部分。一部分为固定大小的128比特k1，剩余的初始密钥为另一部分k2。k2的位数需要大于或等于32比特。故整个初始密钥的位数需要大于或等于160比特。
步骤1002：将固定的128比特密钥k1从高位到低位按顺序划分为4个32比特数据，并存储在Xi、Xi+1、Xi+2和Xi+3中。剩余的初始密钥k2作为Logistic混沌映射的初始值，并存储在yi中。
步骤1003：将Xi+1、Xi+2和Xi+3相异或，最后在与k2中抽取低的32位数据异或，得到最终的32比特数V。
步骤1004：将32比特数V从高位到低位按顺序划分为4个8比特数。将这4个8比特数作为寻址地址输入到4个并行的8输入非线性置换S盒中，置换出S盒中相应位置存储的8比特数据。最后将置换后的4个8比特数据位拼接为32比特数据S(V)。于此同时，将yi作为输入数据，送入取反模块和乘4模块中。取反模块将yi与相同位数的二进制数值1相异或得到u。乘4模块将yi向左移动2比特数得到w。
步骤1005：将S(V)通过线性函数L。其操作具体为：将S(V)同时循环左移2位、循环左移10位、循环左移18位、循环左移24位，再将这四次循环移位后的数据异或，最后再与S(V)异或得到32比特数L(S(V))。与此同时，将u加一得到z。
步骤1006：将32比特数L(S(V))与Xi异或厚的数据更新Xi+4的值。并同时将Xi+1的值传递给原Xi，Xi+2的值传递给原Xi+1，Xi+3的值传递给原Xi+2。与此同时将z与w相乘得到h。从数据h低位中提取与初始密钥k2相同位数的比特数据，并将该比特数据更新yi的值。
步骤1007：将步骤1001至步骤1006重复共32次后停止。

Claims (2)

1.一种基于长密钥的SM4密钥扩展算法的实现系统，包括混沌映射模块、数据缓存模块、异或模块、非线性置换S盒模块和线性变换L模块，其特征在于：所述混沌映射模块输入为部分初始密钥，通过利用混沌映射的多次迭代，产生具有良好随机性的伪随机序列作为原SM4密钥扩展算法的输入，通过对混沌性能和硬件实现资源消耗的考虑，混沌映射模块选择Logistic映射；
所述异或模块为多输入异或逻辑门电路；
所述非线性置换S盒模块共使用四个并行的8输入的S盒，每个并行的S盒对输入的8比特数地址进行寻址，输出存储在S盒中的8比特数据；
所述线性变换L模块是简单地移位和异或操作。
2.采用如权利要求1所述的实现系统得出的一种基于长密钥的SM4密钥扩展算法的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1001：数据缓存模块接收128位初始密钥，将接收到的初始密钥分成4个32比特的数据，并分别缓存起来，Logistic混沌映射模块接收剩余初始密钥，输出伪随机序列；
步骤1002：将数据缓存模块中的4个32比特的数据中选取3个和Logistic混沌映射模块产生的伪随机序列异或，得到最终的32比特数据；
步骤1003：将步骤1002中最终生成的32比特数据划分成4个8比特数据，并分别作为寻址地址输入到4个并行8输入的S盒中，最后将得到置换后的4个8比特数进行位拼接，形成新的32比特数；
步骤1004：将步骤1003中最终得到的32比特数分别同时循环移位不同位数，并与步骤1002中数据缓存模块剩余的一个32比特数异或，得到最终的32比特数，该32比特数置换数据缓存模块中的一个32比特数，并缓存起来；
步骤1005：重复步骤1002至步骤1004共32次，并停止输出。
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Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106712930A (zh) * 2017-01-24 2017-05-24 北京炼石网络技术有限公司 一种sm4加密方法及装置
CN106998249A (zh) * 2017-05-08 2017-08-01 芜湖职业技术学院 应用于SM4与Camellia密码算法的可重构S盒电路结构
CN107181586A (zh) * 2017-05-22 2017-09-19 芜湖职业技术学院 可重构s盒电路结构
CN109525390A (zh) * 2018-11-20 2019-03-26 江苏亨通问天量子信息研究院有限公司 用于终端设备保密通信的量子密钥无线分发方法及系统
CN109981247A (zh) * 2019-03-25 2019-07-05 哈尔滨工业大学（威海） 一种基于整数化混沌映射的动态s盒生成方法
CN109981250A (zh) * 2019-03-01 2019-07-05 北京海泰方圆科技股份有限公司 一种sm4加密、密钥扩展方法、装置、设备及介质
CN110995405A (zh) * 2019-12-05 2020-04-10 黑龙江大学 基于混沌初始向量生成算法及其ip核
CN112910630A (zh) * 2021-02-02 2021-06-04 浙江大华技术股份有限公司 扩展密钥的置换方法及装置
CN113255923A (zh) * 2021-05-31 2021-08-13 湖北大学 Sm4算法的量子实现电路
CN113849867A (zh) * 2021-08-31 2021-12-28 浪潮电子信息产业股份有限公司 一种加密芯片
CN114710285A (zh) * 2022-05-19 2022-07-05 北京大学 一种面向异构并行架构的高性能sm4比特切片优化方法
CN115529121A (zh) * 2022-09-28 2022-12-27 苏州中科安源信息技术有限公司 基于混沌神经网络的s盒构建方法
CN117411618A (zh) * 2023-12-07 2024-01-16 杭州城市大脑有限公司 应用于国际赛事的密钥生成方法、装置及加密方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1921376A (zh) * 2005-08-25 2007-02-28 中南大学 基于并行td－ercs混沌系统的伪随机数发生器
CN101834717A (zh) * 2010-04-22 2010-09-15 哈尔滨理工大学 可扩展精度Logistic混沌序列的并行计算方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1921376A (zh) * 2005-08-25 2007-02-28 中南大学 基于并行td－ercs混沌系统的伪随机数发生器
CN101834717A (zh) * 2010-04-22 2010-09-15 哈尔滨理工大学 可扩展精度Logistic混沌序列的并行计算方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
程海: ""基于FPGA的图像加密关键技术研究"", 《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

Cited By (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106712930A (zh) * 2017-01-24 2017-05-24 北京炼石网络技术有限公司 一种sm4加密方法及装置
CN106998249A (zh) * 2017-05-08 2017-08-01 芜湖职业技术学院 应用于SM4与Camellia密码算法的可重构S盒电路结构
CN106998249B (zh) * 2017-05-08 2023-09-15 芜湖职业技术学院 应用于SM4与Camellia密码算法的可重构S盒电路结构
CN107181586B (zh) * 2017-05-22 2023-09-15 芜湖职业技术学院 可重构s盒电路结构
CN107181586A (zh) * 2017-05-22 2017-09-19 芜湖职业技术学院 可重构s盒电路结构
CN109525390A (zh) * 2018-11-20 2019-03-26 江苏亨通问天量子信息研究院有限公司 用于终端设备保密通信的量子密钥无线分发方法及系统
CN109981250A (zh) * 2019-03-01 2019-07-05 北京海泰方圆科技股份有限公司 一种sm4加密、密钥扩展方法、装置、设备及介质
CN109981247A (zh) * 2019-03-25 2019-07-05 哈尔滨工业大学（威海） 一种基于整数化混沌映射的动态s盒生成方法
CN109981247B (zh) * 2019-03-25 2022-03-25 哈尔滨工业大学（威海） 一种基于整数化混沌映射的动态s盒生成方法
CN110995405A (zh) * 2019-12-05 2020-04-10 黑龙江大学 基于混沌初始向量生成算法及其ip核
CN110995405B (zh) * 2019-12-05 2022-04-22 黑龙江大学 基于混沌初始向量生成算法及其ip核
CN112910630A (zh) * 2021-02-02 2021-06-04 浙江大华技术股份有限公司 扩展密钥的置换方法及装置
CN113255923A (zh) * 2021-05-31 2021-08-13 湖北大学 Sm4算法的量子实现电路
CN113849867A (zh) * 2021-08-31 2021-12-28 浪潮电子信息产业股份有限公司 一种加密芯片
CN113849867B (zh) * 2021-08-31 2024-02-23 浪潮电子信息产业股份有限公司 一种加密芯片
CN114710285A (zh) * 2022-05-19 2022-07-05 北京大学 一种面向异构并行架构的高性能sm4比特切片优化方法
CN115529121A (zh) * 2022-09-28 2022-12-27 苏州中科安源信息技术有限公司 基于混沌神经网络的s盒构建方法
CN117411618A (zh) * 2023-12-07 2024-01-16 杭州城市大脑有限公司 应用于国际赛事的密钥生成方法、装置及加密方法
CN117411618B (zh) * 2023-12-07 2024-02-20 杭州城市大脑有限公司 应用于国际赛事的密钥生成方法、装置及加密方法

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