CN1064498C

CN1064498C - 一种数据码的加密装置、解密装置和保密系统

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Publication number: CN1064498C
Application number: CN97122459A
Authority: CN
Inventors: 谢勋璋
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 1997-05-19
Filing date: 1997-11-07
Publication date: 2001-04-11
Anticipated expiration: 2017-11-07
Also published as: CN1199969A; US6128387A; CN1303196A; CN1151628C

Abstract

一种用于保密以保护数据码特别是程序、硬件或数字数据等等的加密、解密装置及系统，其在加密与解密电路中使用了不可逆转换及动态密钥。加密电路将一组数据码用动态密钥加以加密，而动态密钥由不可逆转换产生。解密电路也是利用动态密钥将一组加密后的数据码加以解密，而动态密钥也由不可逆转换产生。该动态密钥会随着时间参数n的变动而变动。变动的方法则由不可逆转换器U来决定，变动的值则由输入的数据码控制。

Description

一种数据码的加密装置、解密装置和保密系统

本发明涉及一种保密或保护系统，尤其涉及到数据码的保护。它是关于硬件、数字数据、程序加密与解密装置和保密系统。

保密学在计算机与通信领域中愈来愈重要，尤其在保护程序、硬件、及数据的用途上。而且近年来高速网路、网际网路、全球网路的兴盛更使保密学的应用领域愈来愈广。许多保密的方法着重于数理的推导，例如：RSA、Deffie-Hellme等方法；反而不专注于电子设计的保护。所以，发明电子设计的保护确有其重要性。尤其保护电子设计中的程序、硬件、数据等，更是电子设计所应着重考虑的。这类保护电子设计中的程序、硬件、数据的方法，应考虑好下列特性：很短的处理延迟、简单的电路需求、多重的密钥保护、难于被破解。

图1-a及图1-b分别描绘了一种现有的二进制位反转法的加密与解密方法。其加密与解密的操作是相同的，均是使用异或逻辑来实现。将欲加密的第一数据码X_n，与一密k₀钥做异或逻辑运算，就可以得到第二数据码Y_n，即Y_n=(X_nXORk₀)。解密时，再将欲解密的第二数据码Y_n，与同一密钥K₀做异或逻辑运算，就可以将之还原得到第一数据码X_n，即X_n=(Y_nXORk₀)。这种方法利用同样异或逻辑运算使得加密与解密都非常简易，而且处理延迟也很短。但是这种方法却很容易被破解。例如密钥k₀如果过短，很容易就会被试出，因为它的可能组合数过少。即使密钥k₀很长，用这种方法加密的数据，仍然可以用机率统计的方法猜出密钥(key)来。所以，这种方式的保密方法不够周全。

图2-a及图2-b分别描绘了另一种保密方法，称为可逆转换法的加密与解密方法。这种方法将欲加密的第一数据码X_n，经过一可逆转换T，转换成第二数据码Y_n，即Y_n=T(X_n)。因为转换T为可逆，所以有一个对应的逆转换T^-1，可以将第二数据码Y_n还原回第一数据码X_n，亦即X_n=T^-1(Y_n)，而该可逆转换T是一个一对一的函数。下面举一个三个二进制位的可逆转换为例子说明。

例如：000被转换成001、

001被转换成101、

010被转换成111、

011被转换成011、

100被转换成110、

101被转换成000、

110被转换成100、

111被转换成010。

这样的可逆转换的组合数目当多，使得被猜中的机率降低很多。但是仍然会被统计式的猜测法破解。举例而言，当第一数据码中的数据码111是为最高统计机率的数据码，则它被转换成010后，010的统计机率也会是最高。所以，突破者可以大胆地假设，111是对应到010。如此类推，则整个转换方法将会被逐步猜出，反向转换也就被破解了。

图3-a及图3-b分别描绘了另一种不可逆转换法。当一群数据码X_n经过不可逆转换成为数据码Y_n，它的统计特性将被隐藏，这样原数据码X_n将因为加密过而不容易被解出。因为，不可逆转换不是一对一函数，所以从数据码Y_n无法找出可以解密的反向函数。也因为如此，不可逆转换后的数据码Y_n将无法再转换回数据码X_n。如此一来，单纯的不可逆转换无法用于加密。总而言之，二进制位反转法、可逆转换法均有容易破解的弱点；不可逆转换虽然有难以破解的特性，却无法被应用。因此，寻找一个可以应用，又难以被破解的方法，成为当下重要的课题。

本发明的目的在于提供一种数据码加密、解密和保密、保护系统，它使用了不可逆转换及动态的加密密钥，以完成加密的操作和解密的操作。该保密系统包括加密电路及解密电路。加密电路在执行加密时使用动态的加密密钥来加密，而动态的加密密钥则以不可逆转换方式产生，使得难被破解。解密电路只要有相同的不可逆转换及初始密钥就能很顺利地解密成功。因而达到可以方便应用，又难以被破解的目的。

本发明的目的通过下方式实现：提供一种数据码的加密装置，将一组数据码X_n加密转换成一组数据码Y_n，包括：一不可逆转换装置U，用于作用于输入的一组p位二进制位的数据码X_n，将其转换为q位二进制位的转换码Z_m，即Z_m=U(X_n-1)，其中，n=1，…，N，N为欲加密的数据码总数，而X₀为一预定初始密钥；暂存装置，用于暂存所述转换后的数据码Z_m以将其延迟一个工作周期；组合装置，用于从所述暂存装置接收延迟的转换后的数据码Z_m，并将其组合成为p位二进制位码后输出；一组异或逻辑装置，其一输入连接所述组合装置的输出，其另一输入则来自所述数据码X_n，经过异或逻辑操作后输出加密后的所述数据码Y_n，

Y_n=(X_nXORU(X_n-1))。

本发明还提供一种数据码的解密装置，用于将用如上所述的加密装置加密后的数据码Y_n解密转换成一组数据码X_n，包括：一不可逆转换装置U，用于作用于输入的一组p位二进制位的数据码X_n，将其转换为q位二进制位的转换码Z_m，即Z_m=U(X_n-1)，其中，n=1，…，N，N为欲解密的数据码总数，而X₀为预定初始密钥；暂存装置，用于暂存所述转换后的数据码Z_m以将其延迟一个工作周期；组合装置，用于从所述暂存装置接收延迟的转换后的数据码Z_m，并将其组合成为p位二进制位码后输出；一组异或逻辑装置，其一输入连接所述组合装置的输出，其另一输入则来自所述加密后的数据码Y_n，经过异或逻辑操作后输出解密后的所述数据码X_n，

X_n=(Y_nXORU(X_n-1))。

本发明还提供包括上述加密装置和解密装置的数据码的保密系统。

也就是说，在本发明中拥有两种密钥，一种为初始密k₀=X₀，另一种为动态密钥k_n。k₀=X₀是预订的密钥，而密钥k_n则由一不可逆转换与输入的第一数据码X_n动态来决定。解密时必须要通过这两种密钥才能解开密码。动态密钥k_n是随着时间n而变动，并且是由输入的数据码X_n-1经过不可逆转换而产生。

本方法中的加密电路包括一不可逆转换器U，并可产生动态密钥；而解密电路也包含同样的不可逆转换器，用以产生对应的解密密钥。如此，即可成功地将不可逆转换应用于加密与解密。由于不可逆转换具有难以破解的特性，因而使本方法更难以被破解成功。该不可逆转换器U可以用ROM(只读存储器)、PLA(可编程逻辑阵列)、或组合逻辑来实现。更进一步，不可逆转换器U可以分成两部分：可移部分U_m与不可移部分U_r。可移部分U_m可以作成能抽拔的元件，以作为可携式密钥。U_r则为固定于电路板上的部分。如何将不可逆转换器U切分成U_m与U_r是由设计者决定，当然U_r=U或U_m=U都是被允许的。

本发明的特点是它的破解难度相当高。第一、它的密钥组合数相当大；第二、它也能将原始数据码的统计特性隐藏。此外，在组合数的比较上，它也比二进制位反转法、可逆转换法有更多的组合，所以，使其破解14难度提高更多。假设，原始数据码X_n为b位二进制位的码。则二进制位反转法的密钥组合数为2^b个。可逆转换法总共有2^b！=2^b*(2^b-1)^*…^*3^*2^*1种组合，而不可逆转换法则一共可以有2^(b*2b)-2^b！这么多种密钥组合数。然而、本发明的保护法的密钥可有高达2^b*{2^(b*2b)-2^b！}组合数。所以相当难以用猜测法来破解。同时本发明的保护法也隐藏了原始数据码的统计特性，因此也可防止被以统计分析方式破解。

以下结合附图，描述本发明实施例，其中：

图1-a及图1-b分别描绘了一种现有的二进制位反转法的加密与解密方法；

图2-a及图2-b分别描绘了一种保密方法，称为可逆转换法的加密与解密方法；

图3-a及图3-b分别描绘了另一种不可逆转换法，因为其不可逆，所以无法找到解密方法；

图4描绘了本发明的加密方法与解密方法的应用结构，它使用不可逆转

换法却能有完整的解密方法；

图5描绘了本发明的加密电路的一实施例；

图6描绘了本发明的解密电路的一实施例；

图7描绘了本发明的解密电路的另一实施例，其不可逆转换电路有部分为可移式；

图8描绘了一组用于暂存数据的寄存器；

图9描绘了组合器，其用于将q位二进制位的转换码组合回p位二进制位的动态密钥，其中q小于等于p；

图10描绘了一组异或逻辑电路，用来作为两个p位二进制位码间的异或逻辑运算；

图11a及图11b分别表示非常简单的不可逆转换电路与组合器；

图12表示本发明中加密方法的流程图；

图13是比较二进制位反转法、可逆转换法、不可逆转换法与本发明在不同二进制位条件下，所拥有的密钥组合数。

图4描绘了本发明适用的应用结构。其中，一只读存储器2通过解密器3连到处理器1。只读存储器2中可以储存加密后的数据码。解密器3扮演桥梁的角色。当处理器1由只读存储器2读取数据时，解密器3则可将加密后的数据解密，以提供给处理器1正确的数据。处理器1当然可以衔接输入4a-4c、输出5a-5c或存储器6a-6c等其它周边装置。

图5是适用本发明的加密电路7。其包括一组异或逻辑电路8及转换电路17。转换电路17包括一不可逆转换器10、一组寄存器11及组合器12。一组p位二进制位的数据码X_n通过输入13进入不可逆转换器10，暂存于寄存器11中。经过一个工作周期后，经过组合器12，再输入给异或逻辑电路8产生p位二进制位的数据码Y_n。

其中的不可逆转换器U10的作用，在于将p位二进制位的数据码X_n转换成q位二进制位的转换码Z_m。数据码X_n可以为{X₁、X₂、X₃、…、X_N}，N个其中之一；而转换码Z_m可以为{Z₁、Z₂、Z₃、…、Z_M}，M个其中之一，并且因为其不可逆转换所以M＜N。也可以说不可逆转换U是多对一的转换，例如，{X₁、X₂、X₃、…、X_N}中的{X₂、X₄、X₆}均转换成Z₁，这种多对一转换。所以，从转换码Z₁无法找到逆向转换决定是X₂、X₄、或是X₆何者为加密前的数据码。不可逆转换器10实现这类不可逆转换。

寄存器11则可将转换后的数据暂存一个工作周期，然后再将数据交组合器12，将q位二进制位的转换码组合回p位二进制位的动态密钥，送给异或逻辑电路8。此刻的输入数据码X_n也由输入14传到异或逻辑电路8，与动态密钥作异或逻辑运算，而得到加密后的数据码Y_n，数学式的表示为Y_n=(X_nXORU(X_n-1))。

图6是适用于本发明的解密电路15，它与加密电路7是相对应的。解密电路15包括一组异或逻辑电路16、不可逆转换器18、一组寄存器19及组合器20。数据码X_n从输入21回馈到不可逆转换器18而产生q位二进制位转换码Z_m。X_n可以为{X₁、X₂、X₃、…、X_N}，N个其中之一；而转换码Z_m可以为{Z₁、Z₂、Z₃、…、Z_M}，M个其中之一，不可逆转换U为多对一的转换，所以M＜N。然后由寄存器19暂存一个工作周期，再经组合器20作组合，送到异或逻辑电路16输入为动态密钥。此时，Y_n也经输入22到达异或逻辑电路16，与输入的X_n-1所产生的动态密钥作解密而得到X_n，数学式的表示为X_n=(Y_nXORU(X_n-1))。

解密时所用的异或逻辑电路16、不可逆转换器18、一组寄存器19及组合器20与加密时所用的异或逻辑电路8、不可逆转换器10、一组寄存器11及组合器12分别是对应相同的。其中不可逆转换器10与不可逆转换器18用于作不可逆转换；寄存器11与寄存器19均用于延迟数据一个工作周期；组合器12与组合器20用于将q位二进制位的转换码组合成p位二进制位的动态密钥码。

图7所示为适用于本发明的解密电路的另一种实施例。转换电路17的不可逆转换器U可以拆成两部分U_m23、U_r24。U_r在硬件实现上可以是固定的，而U_m23、寄存器19、组合器20、异或逻辑电路16则可作为可移式的电路密钥，只有拥有这部分电路的人可开启解密电路。而此部分可移式的电路密钥仍具有难以破解的特性。当然，U_m23与U_r24组成不可逆转换器U，而U_m23、U_r24的划分取决于设计者。它们像不可逆转换器U一样，可以用ROM(只读存储器)、PLA(可编程逻辑阵列)、或组合逻辑来实现。

图8则描绘了适用于本发明的寄存器，用以暂存数据一个工作周期。寄存器的二进制位位数是与输入数据的二进制位位数q相等，例如q=3，则包括R1、R2与R3三个寄存器来储存数据。

图9为适用于本发明的组合器，它可以将输入的q位二进制位码转化为p位二进制位码输出。它将码用直接绕接的方式重新组合二进制位的位置。由于q小于等于p，因此组合器的p位二进制位输出中有部分二进制位不是由绕接而得，而可以直接给予设定为0或1。此等重新组合的方法及设定的值则可由设计者视系统需求调整。

图10所示为适用于本发明的异或逻辑电路，其由一组异或逻辑组成。一个异或逻辑可用下列的布林表示法：(A₀XOR A₁)={(NOT A₀)AND A₁}OR{(NOT A₁)AND A₀}表示，其中的XOR代表异或逻辑运算，AND代表与逻辑运算，OR代表或逻辑运算，而NOT代表反逻辑运算。

在图11a中例举了一个非常简单的不可逆转换器10(或不可逆转换器18)。而图11b则例举出一个非常简单的组合器12(或不可逆转换器20)。在此例中p=3，q=1。假如欲加密的一组数据码为X₁=101、X₂=110、X₃=111、X₄=000、X₅=011，且设定X₀=011。则加密的过程为：

当n=1，k₁=U(011)=010

Y₁=(X₁XORk₁)=(101 XOR 010)=111

当n=2，k₂=U(101)=010

Y₂=(X₂XORk₂)=(110 XOR 010)=100

当n=3，k₃=U(110)=010

Y₃=(X₃XORk₃)=(111 XOR 010)=101

当n=4，k₄=U(111)=010

Y₄=(X₄XORk₄)=(000 XOR 010)=010

当n=5，k₅=U(000)=000

Y₅=(X₅XORk₅)=(011 XOR 000)=011

结果可得到，Y₁=111、Y₂=100、Y₃=101、Y₄=010、Y₅=011等加密后的数据码。

图12描述了加密的流程图，叙述如下：

步骤25：先设定预定密钥X₀的值；

步骤26：设定n=1；

步骤27：算出转换码Z_m=U(X_n-1)，得到动态密钥k_n；

步骤28：算出Y_n=(X_nXORk_n)；

步骤29：算出n=n+1；

步骤30：若n＞N，跳至步骤31；

否则跳至步骤27；(N为欲加密的数据码数)

步骤31：加密完成。

图13列出了密钥组合数的比较。b代表数据码的二进制位数，比较的方法包括：二进制位反转法、可逆转换法、不可逆转换法与本发明的方法。当二进制位位数为1时，这四种方法的密钥组合数分别为2、2、2、4，相差不多；但当二进制位位数为3时，这四种方法的密钥组合数分别为8、40320、16736896、133895168，就相差甚多。假设二进制位数为b位二进制位，则二进制位反转法的密钥组合数为2^b；可逆转换法的密钥组合数为2^b！=2^b*(2^b-1)^*…^*3^*2^*1；不可逆转换法的密钥组合数为2^(b*2b)-2^b！；而本发明的密钥组合数为2^b*{2^(b*2b)-2^b！}。可以看到，本发明的密钥组合数最多，优于其他方法。当二进制位位数大于4，就明显看出难于破解。

以上说明中所举用的例子是为了说明清楚而用，并不是限定本发明的应用范围。显然，基于上述说明，可以衍生各种与本发明所公开实施方式相应的变化形式。因此，在以下的权利要求列举的均应作为本发明所涵盖的范畴。

Claims

1、一种数据码的加密装置，将一组数据码X_n加密转换成一组数据码Y_n，其特征在于，包括：

一不可逆转换装置U，用于作用于输入的一组p位二进制位的数据码X_n，将其转换为q位二进制位的转换码Z_m，即Z_m=U(X_n-1)，其中，n=1，…，N，N为欲加密的数据码总数，而X₀为一预定初始密钥；

暂存装置，用于暂存所述转换后的数据码Z_m以将其延迟一个工作周期；

组合装置，用于从所述暂存装置接收延迟的转换后的数据码Z_m，并将其组合成为p位二进制位码后输出；

一组异或逻辑装置，其一输入连接所述组合装置的输出，其另一输入则来自所述数据码X_n，经过异或逻辑操作后输出加密后的所述数据码Y_n，

Y_n=(X_nXORU(X_n-1))。

2．如权利要求1所述的加密装置，其中，所述不可逆转换装置U转换成的转换码Z_m有M个可能值，，而输入的X_n有N个可能值，同时N＞M。

3．如权利要求2所述的加密装置，其中，所述不可逆转换装置U有一组p位二进制位输入及一组q位二进制位输出，运用多对一的对映方式，将输入的p位二进制位码转换成q位二进制位转换码后输出。

4．如权利要求3所述的加密装置，其中，所述不可逆转换装置U可为只读存储器、可编程逻辑阵列、或组合逻辑。

5．如权利要求3或4所述的加密装置，其中，所述暂存装置为一组寄存器，衔接所述不可逆转换装置U的输出，所述不可逆转换装置U的输出与所述寄存器的输入对应，暂存输入数据一个工作周期后再输出。

6．如权利要求5所述的加密装置，其中，所述组合装置有一组q位二进制位输入及一组p位二进制位输出，而所述寄存器的输出与所述组合装置的输入对应，从而将q位二进制位码组合成为p位二进制位码后输出。

7．如权利要求3所述的加密装置，其中所述不可逆转换装置U，可以分成两部分，一部分为固定装置可固定于系统中；而另一部分为可携带的可移装置。

8．如权利要求7所述的加密装置，其中所述的固定装置为所述不可逆转换装置组合逻辑的一部分。

9．如权利要求7所述的加密装置，其中所述的可移装置为所述不可逆转换装置组合逻辑的一部分。

10．如权利要求3所述的加密装置，其中所述转换的数据码的二进制位位数，可以为单一二进制位也可以是多个二进制位。

11、一种数据码的解密装置，用于将用如权利要求1中的加密装置加密后的数据码Y_n解密转换成一组数据码X_n，其特征在于，包括：

一不可逆转换装置U，用于作用于输入的一组p位二进制位的数据码X_n，将其转换为q位二进制位的转换码Z_m，即Z_m=U(X_n-1)，其中，n=1，…，N，N为欲解密的数据码总数，而X₀为预定初始密钥；

一组异或逻辑装置，其一输入连接所述组合装置的输出，其另一输入则来自所述加密后的数据码Y_n，经过异或逻辑操作后输出解密后的所述数据码X_n，

X_n=(Y_nXORU(X_n-1))。

12．如权利要求11所述的解密装置，其中，所述不可逆转换装置U转换成的转换码Z_m有M个可能值，而输入的X_n有N个可能值，同时N＞M。

13．如权利要求12所述的解密装置，其中，所述不可逆转换装置U有一组p位二进制位输入及一组q位二进制位输出，运用多对一的对映方式，将输入的p位二进制位码转换成q位二进制位转换码后输出。

14．如权利要求13所述的解密装置，其中，所述不可逆转换装置U可为只读存储器、可编程逻辑阵列、或组合逻辑。

15．如权利要求13或14所述的解密装置，其中，所述暂存装置为一组寄存器，衔接所述不可逆转换装置U的输出，所述不可逆转换装置U的输出与所述寄存器的输入对应，暂存输入数据一个工作周期后再输出。

16．如权利要求15所述的解密装置，其中，所述组合装置有一组q位二进制位输入及一组p位二进制位输出，而所述寄存器的输出与所述组合装置的输入对应，从而将q位二进制位码组合成为p位二进制位码后输出。

17．如权利要求13所述的解密装置，其中所述不可逆转换装置U，分成两部分，一部分为固定装置可固定于系统中；而另一部分为可携带的可移装置。

18．如权利要求17所述的解密装置，其中所述的固定装置为所述不可逆转换装置组合逻辑的一部分。

19．如权利要求17所述的解密装置，其中所述的可移装置为所述不可逆转换装置组合逻辑的一部分。

20．如权利要求13所述的解密装置，其中所述转换的数据码的二进制位位数，可以为单一二进制位也可以是多个二进制位。

21、一种数据码的保密系统，包括如权利要求1所述的加密装置和如权利要求11所述的解密装置。