CN108566270B - 使用双分组密码的新型加密方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于密码学技术领域，特别是涉及一种使用双分组密码的新型加密方法,首先预处理分别得到分组加密算法E1,k1、E2,k2，以及与E1,k1、E2,k2对应的分组解密算法D1,k1、D2,k2；对加密的明文消息按分组加密算法单次处理长度做切分，切分为(M1,M2,M3,M4,…,Mn)；利用公式
Figure DDA0001641635670000011
对(M1,M2,M3,M4,…,Mn)进行处理，得到密文(C1,C2,C3,C4,…,Cn)；最后利用公式
Figure DDA0001641635670000012
对加密过程输出的(C1,C2,C3,C4,…,Cn)进行处理，得到明文(M1,M2,M3,M4,…,Mn)。本发明提供一种使用两个不同分组密码进行加密的新型加密方法，降低了被破解的风险，使数据更加安全。

Description

使用双分组密码的新型加密方法
技术领域
本发明属于密码学技术领域，特别是涉及一种使用双分组密码的新型加密方法。
背景技术
分组密码算法是密钥控制下，通过某个置换来实现对明文分组的加密变换。一个安全的分组密码算法要采取适当的工作模式以提高安全性。现有的分组密码加密工作模式都是把单一分组密码算法作为基础模块，搭建相应的加密工作模式算法，无一例外。目前世界上最主流的工作模式有：ECB模式、CBC模式、CTR模式、OFB模式和CFB模式。具体可参考美国NIST FIPS PUB81号标准文件、国际标准化组织ISO/IEC 10116:1997第二版标准文件、美国NIST FIPS PUB197号标准文件、美国NIST 800-38C号文件等国际规范。
其中最为著名的工作模式是密文分组链接CBC模式，参见图1。
CBC模式全程使用的是同一个密钥控制下的分组密码算法Ek(这里的要素有两个，一是分组密码算法，用E表示，另一个要素是下标k，表示该分组密码使用的密钥，我们下面记这个分组密码算法的明文分组规模为B比特)，具体步骤是：
(1)选择B比特随机数C0；
(2)将明文按照每B比特进行切分，切分之后的数据为(M1,M2,M3,M4,…,Mn)；(3)将第一块的明文数据M1和预先选好的随机数C0做逐位异或操作，并将异或之后的数据通过由密钥控制下的分组密码算法Ek，得到当前时刻的密文数据C1；(4)让第i(2≤i≤n)块的明文数据Mi和上一时刻生成的密文Ci-1做逐位异或操作，并将异或之后的数据通过由密钥控制下的分组密码算法Ek，得到当前时刻的密文数据Ci；
(5)输出密文(C1,C2,C3,C4,…,Cn)。
上述过程利用数学表达式来表示即为：对于当前时刻的明文数据Mi和上一时刻的密文数据Ci-1，可以通过计算
Figure BDA0001641635650000021
来得到当前时刻的密文。
利用单一分组密码的工作模式，其最大的缺点在于安全性完全取决于被调用的分组密码算法的强度，一旦该密码算法不安全，则整个加密系统就会崩溃。典型的例子是MAYA分组算法，该算法在2011年被破译。如果传统的CBC模式调用了MAYA分组密码算法，那么随着该算法的破译，调用了该算法的CBC模式就不再有任何安全性可言。
目前被重创的分组密码算法不多，但是单一分组密码算法被破解的风险仍然存在。因此，如何进一步增强工作模式，使之不完全依赖单一密码算法的安全性，是一个值得解决的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种使用双分组密码的新型加密方法，将传统CBC模式中只调用一个分组密码算法改进成同时调用两个分组密码算法，降低了被破解的风险，使数据更加安全。
为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
本发明提供一种使用双分组密码的新型加密方法，包括以下步骤:
步骤1，预处理分别得到分组加密算法E1,k1、E2,k2，以及与E1,k1、E2,k2对应的分组解密算法D1,k1、D2,k2；
步骤2，加密处理
对加密的明文消息按分组加密算法单次处理长度做切分，切分为(M1,M2,M3,M4,…,Mn)；
利用公式
Figure BDA0001641635650000031
对(M1,M2,M3,M4,…,Mn)进行处理，得到密文(C1,C2,C3,C4,…,Cn)，其中1≤i≤n；
步骤3，解密处理
利用公式
Figure BDA0001641635650000032
对加密过程输出的(C1,C2,C3,C4,…,Cn)进行处理，得到明文(M1,M2,M3,M4,…,Mn)，其中1≤i≤n。
进一步地，所述步骤1的具体实现过程如下：
步骤101，选择两个分组规模为B比特的分组密码加密变换E1,E2；
步骤102，生成E1,E2所对应的分组密码解密变换D1,D2；
步骤103，将密钥k1注入E1和D1中，得到分组加密算法E1,k1和分组解密算法D1,k1；
步骤104，将密钥k2注入E2和D2中，得到分组加密算法E2,k2和分组解密算法D2,k2。
进一步地，所述步骤2的具体实现过程如下：
步骤201，选择B比特随机数C0，并发送给接收方；
步骤202，对加密的明文消息按分组加密算法单次处理长度做切分，切分之后的数据为(M1,M2,M3,M4,…,Mn)，即每个Mi的长度都是B比特；
步骤203，将第一块的明文数据M1和预先选好的随机数C0做逐位异或操作；
步骤204，将步骤203异或后的数据作为由密钥控制下的分组加密算法E1,k1的输入；
步骤205，将E1,k1的输出作为E2,k2的输入，得到当前时刻的密文数据C1；
步骤206，对i从2增至n，将第i块的明文数据Mi和上一时刻生成的密文数据Ci-1做逐位异或操作，并将异或之后的数据通过由密钥控制下的分组加密算法E1,k1，将E1,k1的输出作为E2,k2的输入，得到当前时刻的密文数据Ci；
步骤207，输出密文(C1,C2,C3,C4,…,Cn)并发送。
进一步地，所述步骤3的具体实现过程如下：
步骤301，接收到步骤201发送的B比特随机数C0并存储；
步骤302，接收到步骤207发送的(C1,C2,C3,C4,…,Cn)并存储；
步骤303，对i从n减至1，将Ci作为输入数据，先通过分组解密算法D2,k2，将输出结果再通过D1,k1，将得到的输出数据与Ci-1做异或操作，得到第i块的明文数据Mi；
步骤304，输出明文(M1,M2,M3,M4,…,Mn)。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
利用单一分组密码的工作模式，其最大的缺点在于：算法的安全性完全取决于被调用的分组密码算法的强度，一旦该密码算法不安全，则整个加密系统就会崩溃。这个问题出现的根本在于CBC工作模式仅仅调用了一个分组密码算法。
本发明提出的利用一种使用双分组密码的新型加密方法，本质上是在CBC模式的基础上提出的一种更先进、更安全、更有效的加密方法，原因如下：单一分组密码算法被破解的风险是存在的，但是同一时期内，两个著名分组密码算法同时被成功攻击的可能性微乎其微。由于我们的方案调用了两个分组密码算法，因此只有在两个分组密码算法同时被攻破的前提下，整个工作模式才会被破解，其中的任何一个分组密码算法被破译，本发明仍然能够保证数据安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是传统CBC工作模式的流程示意图；
图2是本发明的流程示意图。
具体实施方式
为了便于理解，对本发明中出现的部分名词作以下解释说明：
分组密码与分组密码工作模式：分组密码是在密钥控制下(也就是说，必须注入密钥才能使用)，通过某个固定变换来实现对明文进行逐组加密的函数，每组明文的比特数称为明文分组规模，通常为128比特或64比特。为了在不同的场合安全地使用分组密码，通常需要把分组密码和分组密码工作模式相配合使用。工作模式和分组密码之间的关系，可以类似地理解成子函数和子函数调用方式之间的关系。
实施例一，参见图2，本实施例提供一种使用双分组密码的新型加密方法，包括以下步骤：
预处理过程：
步骤S101，选择两个分组规模为B比特的分组密码加密变换E1,E2；
步骤S102，生成E1,E2所对应的分组密码解密变换D1,D2；
步骤S103，将密钥k1注入E1和D1中，得到分组加密算法E1,k1和分组解密算法D1,k1；
步骤S104,将密钥k2注入E2和D2中，得到分组加密算法E2,k2和分组解密算法D2,k2。
加密处理过程：
步骤S105，选择B比特随机数C0，存储并通过公开方式发送给接收方；
步骤S106，对加密的明文消息按分组加密算法单次处理长度做切分，切分之后的数据为(M1,M2,M3,M4,…,Mn)，即每个Mi的长度都是B比特；
步骤S107，将第一块的明文数据M1和预先选好的随机数C0做逐位异或操作；
步骤S108，将步骤S107异或后的数据作为由密钥控制下的分组加密算法E1,k1的输入；
步骤S109，将E1,k1的输出作为E2,k2的输入，得到当前时刻的密文数据C1；
步骤S110，对i从2增至n，将第i块的明文数据Mi和上一时刻生成的密文数据Ci-1做逐位异或操作，并将异或之后的数据通过由密钥控制下的分组加密算法E1,k1，将E1,k1的输出作为E2,k2的输入，得到当前时刻的密文数据Ci；
步骤S111，输出密文(C1,C2,C3,C4,…,Cn)并发送。
步骤S107至步骤S111用公式可表示为：
对i从1增至n，依次执行
Figure BDA0001641635650000061
解密处理过程：
步骤S112,接收到步骤S105发送的B比特随机数C0并存储；
步骤S113，接收到步骤S111发送的(C1,C2,C3,C4,…,Cn)并存储；
步骤S114，对i从n减至1，将Ci作为输入数据，先通过分组解密算法D2,k2，将输出结果再通过D1,k1，将得到的输出数据与Ci-1做异或操作，得到第i块的明文数据Mi；
步骤S115，输出明文(M1,M2,M3,M4,…,Mn)。
步骤S114和步骤S115用公式可表述为：
对i从n减至1，依次执行
Figure BDA0001641635650000072
下面结合一个具体实施例对本发明进一步详细描述：
实施例二，高级加密标准AES和中国的分组密码算法加密标准SM4是两个著名的分组密码算法，它们的分组规模均为128比特，下面通过实例来说明，如何利用这两个分组密码算法来搭建本发明的一种使用双分组密码的新型加密方法。
预处理过程：
步骤S201，生成2组128比特的密钥，分别为k1和k2；
步骤S202，选择两个加密算法分别为AES和SM4加密算法，记作AES和SM4；
步骤S203，生成AES和SM4所对应的解密变换AES-1和SM4-1；
步骤S204，将k1和k2分别注入到AES和SM4的加、解密函数之中，得到加密算法AESk1、SM4k2和解密算法
Figure BDA0001641635650000071
加密处理过程：
步骤S205，选择128比特随机数C0，存储并通过公开方式发给接收方；
步骤S206，对加密的明文消息按分组加密算法单次处理长度做切分，切分之后的数据为(M1,M2,M3,M4,…,Mn)，即每个Mi的长度都是128比特；
步骤S207，将第一块的明文数据M1和预先选好的随机数C0做逐位异或操作；
步骤S208，将步骤S207异或后的数据通过AESk1加密；
步骤S209，将AESk1的输出作为SM4k2的输入，得到当前时刻的密文数据C1；
步骤S210，对i从2增至n，将第i块的明文数据Mi和上一时刻生成的密文数据Ci-1做逐位异或操作，并将异或之后的数据通过由密钥控制下的分组加密算法AESk1，将AESk1的输出作为SM4k2的输入，得到当前时刻的密文数据Ci；
步骤S211，输出密文(C1,C2,C3,C4,…,Cn)并发送。
解密处理过程：
步骤S212,接收到步骤S205发送的128比特随机数C0并存储；
步骤S213，接收到步骤S211发送的(C1,C2,C3,C4,…,Cn)并存储；
步骤S214，对i从n减至1，将Ci作为输入数据，先通过
Figure BDA0001641635650000081
将输出结果再通过
Figure BDA0001641635650000082
将得到的输出数据与Ci-1做异或操作，得到第i块的明文数据Mi；
步骤S215，输出明文(M1,M2,M3,M4,…,Mn)。
本发明将传统CBC模式中只调用一个分组密码算法改进成同时调用两个分组密码算法，同时保持了传统CBC模式的其余部分不变，保证了数据的安全性。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来讲是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (2)

1.一种使用双分组密码的新型加密方法，其特征在于，包括以下步骤:
步骤1，预处理分别得到分组加密算法E1,k1、E2,k2，以及与E1,k1、E2,k2对应的分组解密算法D1,k1、D2,k2；
所述步骤1的具体实现过程如下：
步骤101，选择两个分组规模为B比特的分组密码加密变换E1,E2；
步骤102，生成E1,E2所对应的分组密码解密变换D1,D2；
步骤103，将密钥k1注入E1和D1中，得到分组加密算法E1,k1和分组解密算法D1,k1；
步骤104，将密钥k2注入E2和D2中，得到分组加密算法E2,k2和分组解密算法D2,k2；
步骤2，加密处理
对加密的明文消息按分组加密算法单次处理长度做切分，切分为(M1,M2,M3,M4,…,Mn)；
利用公式
Figure FDA0002839598030000011
对(M1,M2,M3,M4,…,Mn)进行处理，得到密文(C1,C2,C3,C4,…,Cn)，其中1≤i≤n；
所述步骤2的具体实现过程如下：
步骤201，选择B比特随机数C0，并发送给接收方；
步骤202，对加密的明文消息按分组加密算法单次处理长度做切分，切分之后的数据为(M1,M2,M3,M4,…,Mn)，即每个Mi的长度都是B比特；
步骤203，将第一块的明文数据M1和预先选好的随机数C0做逐位异或操作；
步骤204，将步骤203异或后的数据作为由密钥控制下的分组加密算法E1,k1的输入；
步骤205，将E1,k1的输出作为E2,k2的输入，得到当前时刻的密文数据C1；
步骤206，对i从2增至n，将第i块的明文数据Mi和上一时刻生成的密文数据Ci-1做逐位异或操作，并将异或之后的数据通过由密钥控制下的分组加密算法E1,k1，将E1,k1的输出作为E2,k2的输入，得到当前时刻的密文数据Ci；
步骤207，输出密文(C1,C2,C3,C4,…,Cn)并发送；
步骤3，解密处理
利用公式
Figure FDA0002839598030000012
对加密过程输出的(C1,C2,C3,C4,…,Cn)进行处理，得到明文(M1,M2,M3,M4,…,Mn)，其中1≤i≤n。
2.根据权利要求1所述的使用双分组密码的新型加密方法，其特征在于，所述步骤3的具体实现过程如下：
步骤301，接收到步骤201发送的B比特随机数C0并存储；
步骤302，接收到步骤207发送的(C1,C2,C3,C4,…,Cn)并存储；
步骤303，对i从n减至1，将Ci作为输入数据，先通过分组解密算法D2,k2，将输出结果再通过D1,k1，将得到的输出数据与Ci-1做异或操作，得到第i块的明文数据Mi；
步骤304，输出明文(M1,M2,M3,M4,…,Mn)。
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GR01 Patent grant
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