CN110912679A

CN110912679A - 密码设备

Info

Publication number: CN110912679A
Application number: CN201911136219.3A
Authority: CN
Inventors: 邓家先
Original assignee: Hainan Zhongbo Data Technology Co Ltd
Priority date: 2019-11-19
Filing date: 2019-11-19
Publication date: 2020-03-24

Abstract

本申请涉及一种密码设备，包括接口装置、SM4加密装置和密钥生成装置；接口装置用于接收需要加密的设备发送的流数据，并将流数据转换为并行数据，并将并行数据发送至SM4加密装置；密钥生成装置用于接收密钥种子，计算生成密钥；SM4加密装置用于采用密钥对并行数据进行加密处理，形成加密密文，并将加密密文发送至接口装置；加密密文用于对需要加密的设备进行加密。该密码模块可以才用SM4加密方法来对需要解密设备进行加密，其中SM4密码算法是一个分组算法，其算法设计简沽，安全高效；并且操作过程简单。

Description

密码设备

技术领域

本申请涉及密码技术领域，特别是涉及一种密码设备。

背景技术

随着网络的快速发展，网络应用已经成为一种趋势，例如网上证券、网上银行、电子政务、电子商务、网上办公等，越来越多的重要信息在网络中传输，数据的流转安全是网络应用中非常重要的问题。密码技术(其中包括加密和/或解密)是信息安全体系中的关键技术。

目前，常用的密码算法种类很多，例如散列/哈希、BASE64、SHA1、SHA224、SHA256、SHA384、SHA512、MD5等，但这些密码算法非常麻烦，操作过程复杂。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种密码设备。

一种密码设备，包括接口装置、SM4加密装置和密钥生成装置；

所述接口装置用于接收需要加密的设备发送的流数据，并将所述流数据转换为并行数据，并将所述并行数据发送至所述SM4加密装置；

所述密钥生成装置用于接收密钥种子，计算生成密钥；

所述SM4加密装置用于采用所述密钥对所述并行数据进行加密处理，形成加密密文，并将所述加密密文发送至所述接口装置；所述加密密文用于对所述需要加密的设备进行加密。

本发明提供的密码设备，包括接口装置、SM4加密装置和密钥生成装置，其中接口装置接收需要加密的设备发送的，转换为并行数据，并发送至SM4加密装置，SM4加密装置采用密钥生成装置生成的密钥对并行数据进行加密，即可生成加密密文，该加密密文用于来对需要加密的设备进行加密。该密码模块可以才用SM4加密方法来对需要解密设备进行加密，其中SM4密码算法是一个分组算法，其算法设计简沽，安全高效；并且操作过程简单。

在其中一个实施例中，还包括SM4解密装置，

所述接口装置还用于接收需要解密的设备发送的解密密文，并将所述解密发送至所述SM4解密装置；

所述SM4解密装置用于对所述解密密文进行处理，得到解密数据，并将所述解密数据发送至所述接口装置；

所述接口装置还用于对数据解密数据进行处理，转化生成流数据，所述流数据用于对所述需要解密的设备进行解密。

在其中一个实施例中，所述接口装置包括串并转换模块、字节分发模块、第一FIFO模块和并串转换模块；所述串并转换模块通过所述字节分发模块连接SM4加密装置；所述SM4加密装置通过所述第一FIFO模块连接所述并串转换模块；

所述串并转换模块用于将所述数据流转换为并行数据；

所述字节分发模块用于将所述并行数据按照字节发送至所述SM4加密装置；

所述第一FIFO模块用于缓存所述加密密文；

所述并串转换模块用于将所述加密密文转换成串流数据输出至所述需要加密的设备。

在其中一个实施例中，所述密钥生成装置用于将所述密钥种子与轮函数数据进行轮函数运算，得到运算后的数据；并将所述运算后的数据与CK数据进行迭代运算，并对迭代后的数据进行置换处理，并进行迭代更新直至到达预设迭代次数，得到所述密钥。

在其中一个实施例中，所述密钥生成装置包括密钥种子接收模块、轮函数运算模块、迭代运算模块、数据置换模块和迭代更新模块；

所述密钥种子接收模块用于接收密钥种子；

所述轮函数计算模块用于将所述密钥种子与轮函数数据进行轮函数运算，得到运算后的数据；

所述迭代运算模块用于将所述运算后的数据与CK数据进行迭代运算；

所述数据置换模块用于对迭代后的数据进行置换处理；

所述迭代更新模块用于对置换处理后的数据进行迭代更新直至到达预设迭代次数，得到所述密钥。

在其中一个实施例中，所述密钥生成装置还包括密钥种子判断模块；

所述密钥种子判断模块用于判断接收到的所述密钥种子的有效性，在所述密钥种子有效时，将有效的密钥种子传输至所述轮函数计算模块。

在其中一个实施例中，还包括密钥判断模块；所述密钥判断模块用于判断所述密钥的有效性。

在其中一个实施例中，所述密钥生成装置还包括密钥输出模块；

所述密钥输出模块用于在所述密钥有效时，将有效的密钥传输至所述SM4加密装置。

在其中一个实施例中，所述SM4加密装置包括密钥接收模块、字节转换模块、加密模块和输出模块；

所述密钥接收模块用于接收密钥；

所述字节转换模块用于将所述并行数据转换成32位并行数据；

所述加密模块用于采用所述密钥对所述32位并行数据进行加密处理，形成加密密文；

所述输出模块用于输出所述加密密文至所述接口装置。

在其中一个实施例中，所述SM4加密装置还包括第二FIFO模块；所述第二FIFO模块用于缓存所述32位并行数据。

附图说明

图1为本发明密码设备的一个实施例图；

图2是本发明的密码设备的接口装置的一个实施例图；

图3为本发明的密码设备的密钥生成装置的结构示意图；

图4为本发明的密钥生成装置的运行状态图；

图5为一个实施例中SM4加密装置的结构示意图；

图6为一个实施例中SM4加密装置的运行状态图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

鉴于此，本发明提供一种密码设备；图1是本发明密码设备的一个实施例图。如图1所示，一种密码设备，包括接口装置10、SM4加密装置20和密钥生成装置30；接口装置10用于接收需要加密的设备发送的流数据，并将流数据转换为并行数据，并将并行数据发送至SM4加密装置20；密钥生成装置30用于接收密钥种子，计算生成密钥；SM4加密装置20用于采用密钥对并行数据进行加密处理，形成加密密文，并将加密密文发送至接口装置；加密密文用于对需要加密的设备进行加密。

其中，SM4密码算法是一个分组算法，其算法设计简沽，结构有特点，安全高效。数据分组长度为128比特，密钥长度为128比特。加密算法与密钥扩展算法均采取32轮迭代结构。SM4密码算法以字节(8位)和字节(32位)作为单位进行数据处理。SM4密码算法是对合运算，因此解密算法与加密算法的结构相同，只是轮密钥的使用顺序相反，解密轮密钥是加密轮密钥的逆序。

SM4算法的基本内容包括基本运算：SM4密码算法使用模2加和循环移位作为基本运算；基本密码部件：SM4密码算法使用了S盒、非线性变换τ、线性变换部件L、合成变换T基本密码部件；轮函数：SM4密码算法采用对基本轮函数进行迭代的结构。利用上述基本密码部件，便可构成轮函数。SM4密码算法的轮函数是一种以字为处理单位的密码函数；加密算法：SM4密码算法是一个分组算法。数据分组长度为128比特，密钥长度为128比特，加密算法采用32轮迭代结构，每轮使用一个轮密钥；解密算法：SM4密码算法是对合运算，因此解密算法与加密算法的结构相同，只是轮密铝的使用顺序相反，解密轮密钥是加密轮密钥的逆序；密钥扩展算法：SM4密码算法使用128位的加密密钥，并采用32轮法代加密结构，每一轮加密使用一个32位的轮密钥，共使用32个轮密钥。因此需要使用密钥扩展算法，从加密密钥产生出32个轮密钥；SM4的安全性：SM4密码算法经过我国专业密码机构的充分分析测试，可以抵抗差分攻击、线性攻击等现有攻击，因此是安全的。

接口装置10接收需要加密的设备发送的流数据，流数据通常是二进制数据，并将之转换为标准所需要的一组数据(128比特、16比特等)，即为并行数据；然后将该并行数据送往SM4加密装置20进行加密处理，形成加密密文；SM4加密装置20是对接口装置发送过来的并行数据采用SM4算法进行加密处理，并将加密后的加密密文送往接口装置10；密钥生成装置30，接收外部送来的密钥种子，根据SM4的标准要求，经过计算后形成密钥，并保存密钥，供SM4加密装置使用。

本发明提供的密码设备，包括接口装置10、SM4加密装置20和密钥生成装置30，其中接口装置10接收需要加密的设备发送的，转换为并行数据，并发送至SM4加密装置20，SM4加密装置20采用密钥生成装置30生成的密钥对并行数据进行加密，即可生成加密密文，该加密密文用于来对需要加密的设备进行加密。该密码模块可以才用SM4加密方法来对需要解密设备进行加密，其中SM4密码算法是一个分组算法，其算法设计简沽，安全高效；并且操作过程简单。

在其中一个实施例中，还包括SM4解密装置，接口装置还用于接收需要解密的设备发送的解密密文，并将解密发送至SM4解密装置；SM4解密装置用于对解密密文进行处理，得到解密数据，并将解密数据发送至接口装置；接口装置还用于对数据解密数据进行处理，转化生成流数据，流数据用于对需要解密的设备进行解密。

具体的，该密码装置还包括SM4解密装置，SM4解密装置主要是采用SM4算法对设备进行解密处理，其具体的运行过程与SM4加密过程正好相反。因此，采用该密码装置可以对设备进行解密处理，且处理过程简单，安全性高。

在其中一个实施例中，如图2所示，接口装置10包括串并转换模块102、字节分发模块104、第一FIFO模块106和并串转换模块108；串并转换模块102通过字节分发模块104连接SM4加密装置20；SM4加密装置20通过第一FIFO模块106连接并串转换模块108；串并转换模块102用于将数据流转换为并行数据；字节分发模块104用于将并行数据按照字节发送至SM4加密装置20；第一FIFO模块106用于缓存加密密文；并串转换模块108用于将加密密文转换成串流数据输出至需要加密的设备。

具体的，接口装置10包括串并转换模块102、字节分发模块104、第一FIFO模块106和并串转换模块108，其中串并转换模块102将接收外部输入的流数据转换为并行数据，然后通过字节分发模块104将并行数据进行分发，即按照字节分发至SM4加密装置，完成数据加密，从而形成加密密文；同时第一FIFO模块缓存加密密文，然后将加密密文通过并串转换拨款108转换为二进制串流数据输出。

另外，串并转换模块102包括streamin_valid端口，该端口可以接收streamin_valid信号，当该信号由低电平变为高电平时该模块开始工作。另外，当第一FIFO模块不为空时，就输出二进制串流数据输出。采用该模块可以准确地掌控数据输入以及输出，大大节约时间。

在其中一个实施例中，密钥生成装置用于将密钥种子与轮函数数据进行轮函数运算，得到运算后的数据；并将运算后的数据与CK数据进行迭代运算，并对迭代后的数据进行置换处理，并进行迭代更新直至到达预设迭代次数，得到密钥。

具体的，密钥生成装置其作用为根据输入的密钥种子(通常为16字节)，生成加密所需要的密钥(32字节)。另外，密钥生成装置包括很多接口，例如mk:in STD_LOGIC_VECTOR(7downto 0)；mk_valid:in STD_LOGIC；RK:out STD_LOGIC_VECTOR(7downto 0)；RK_valid:out STD_LOGIC；RK_end:out STD_LOGIC；mk：输入密钥种子，共16个字节，要求连续输入。mk_valid：密钥种子有效信号，高电平有效，与输入秘钥种子配合完成输入。RK：输出秘钥，共32个字节。RK_valid：输出秘钥有效信号，高电平有效。RK_end:：RK计算结束信号，高电平有效，持续一个时钟。

在其中一个实施例中，如图3所示，密钥生成装置30包括密钥种子接收模块302、轮函数运算模块304、迭代运算模块306、数据置换模块308和迭代更新模块310；密钥种子接收模块302用于接收密钥种子；轮函数计算模块304用于将密钥种子与轮函数数据进行轮函数运算，得到运算后的数据；迭代运算模块306用于将运算后的数据与CK数据进行迭代运算；数据置换模块308用于对迭代后的数据进行置换处理；迭代更新模块310用于对置换处理后的数据进行迭代更新直至到达预设迭代次数，得到密钥。

具体的，密钥生成装置30的工作流程图如图4所示。采用16个状态构成状态机器，这样可以简化运算。具体步骤为：S1：密钥种子接收模块302接收密钥种子；轮函数运算模块304用于将密钥种子与FK_table提供的轮函数数据进行轮函数运算；运算结果存在数组K_table中；S2-S5：迭代运算模块206根据前面的轮函数数据和标准提供的固定CK数据进行预设迭代次数的迭代运算；S6-S8：数据置换模块308对S5输出的数据进行置换处理；S9-S12：迭代更新模块310对K进行迭代更新，同时输出本次迭代后的K值，为密钥的一部分；在本实施例中，预设迭代次数为32次。

在其中一个实施例中，密钥生成装置还包括密钥种子判断模块；密钥种子判断模块用于判断接收到的密钥种子的有效性，在密钥种子有效时，将有效的密钥种子传输至轮函数计算模块。

在其中一个实施例中，还包括密钥判断模块；密钥判断模块用于判断密钥的有效性。

在其中一个实施例中，密钥生成装置还包括密钥输出模块；密钥输出模块用于在密钥有效时，将有效的密钥传输至SM4加密装置。

具体的，在密钥生成过程，还需要对密钥种子、生成的密钥的有效性进行检测判断，当有效性检测通过，即密钥种子以及生成的密钥有效才能使用。

另外，在密钥有效性检测通过后，采用密钥输出模块将密钥输出至SM4加密装置。

在其中一个实施例中，如图5所示，SM4加密装置20包括密钥接收模块202、字节转换模块204、加密模块206和输出模块208；密钥接收模块202用于接收密钥；字节转换模块204用于将并行数据转换成32位并行数据；加密模块用于采用密钥对32位并行数据进行加密处理，形成加密密文；输出模块208用于输出加密密文至接口装置。

具体而言，SM4加密装置20主要作用是按照字节接收数据，并对数据进行加密，并将密文按照字节输出。因此，在本实施例中，采用密钥接收模块202接收密钥；采用字节转换模块204将并行数据转换成32位并行数据；然后加密模块采用密钥对32位并行数据进行加密处理，形成加密密文，通过输出模块208将加密密文输出至接口装置。

在其中一个实施例中，SM4加密装置还包括第二FIFO模块210；第二FIFO模块210用于缓存32位并行数据。

由于在整个加密过程中需要32次迭代，而输入数据为128比特，为了避免时序错误，每次迭代加密算法采用3个时钟完成，总体时钟为32*3+4＝100个时钟。每次加密时钟受限会导致系统总体速度降低，为了不影响总体速度，采用时钟分频，即加密状态机采用低速时钟；其他模块采用高速时钟。为了解决时钟不匹配问题，采用第二FIFO模块进行数据交换。另外，在迭代过程中进行分频处理，具体为假设时钟频率T，慢钟周期为T1，由于每组输入数据为128位，每个时钟输入1位数据，则输入数据总体时钟数为128T，这就要求在128T内，加密迭代必须结束。由于32次迭代需要的慢钟数量为32×3＝96，并考虑读取FIFO数需要3个时钟，迭代结束需要1个时钟，慢钟数量为100T1，两者之间应对满足100T1<128T，即T/T1>100/128，对应的频率之比为f1/f>100/128。如果该条件不满足，则加密数据会出现拥塞，产生数据错误。因此，在本实施例中，关于频率的选择需要满足上述的条件，并且采用分频器212进行频率控制。

在其中一个实施例中，SM4加密装置还包括密钥缓存模块214，其中密钥缓存模块214用于对接收的密钥进行缓存，避免数据拥塞。

另外，SM4加密装置20的工作过程为，见图6：S0：等待数据输入；一旦第二FIFO模块不为空，给出FIFO读命令，读取等待加密数据；S1：时钟过度，S0的读FIFO命令需要空出一个时钟，FIFO中的数据才能输出；S2：FIFO输出的数据送给y0,y1,y2,y3，跳至S3开始加密预算；S3：进入32次迭代加密，输入数据或者上次迭代后的数据y1—y3与密钥查找表输出的迭代密钥进行异或运算；S4：对S3产生的加密数据进行数据置换，得到V；S5：对置换后的数据进行置乱处理，V经过3种不同的数据置乱后，与y0一起进行异或运算；对y0-y3进行更新；如果迭代结束，则调至S6输出密文，否则返回S3进入下一次迭代。S6：产生加密运算结束信号；返回S0等待下一组数据到来。S7、输出状态机接收到加密结束信号后，将密文传递给信号Z，同时利用16个时钟将密文输出到端口。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种密码设备，包括接口装置、SM4加密装置和密钥生成装置；

所述密钥生成装置用于接收密钥种子，计算生成密钥；

2.根据权利要求1所述的密码设备，其特征在于，还包括SM4解密装置，

3.根据权利要求1所述的密码设备，其特征在于，所述接口装置包括串并转换模块、字节分发模块、第一FIFO模块和并串转换模块；所述串并转换模块通过所述字节分发模块连接SM4加密装置；所述SM4加密装置通过所述第一FIFO模块连接所述并串转换模块；

所述串并转换模块用于将所述数据流转换为并行数据；

所述第一FIFO模块用于缓存所述加密密文；

4.根据权利要求1-3任一项所述的密码设备，其特征在于，所述密钥生成装置用于将所述密钥种子与轮函数数据进行轮函数运算，得到运算后的数据；并将所述运算后的数据与CK数据进行迭代运算，并对迭代后的数据进行置换处理，并进行迭代更新直至到达预设迭代次数，得到所述密钥。

5.根据权利要求4所述的密码设备，其特征在于，所述密钥生成装置包括密钥种子接收模块、轮函数运算模块、迭代运算模块、数据置换模块和迭代更新模块；

所述密钥种子接收模块用于接收密钥种子；

所述数据置换模块用于对迭代后的数据进行置换处理；

6.根据权利要求5所述的密码设备，其特征在于，所述密钥生成装置还包括密钥种子判断模块；

7.根据权利要求6所示的密码设备，其特征在于，还包括密钥判断模块；

所述密钥判断模块用于判断所述密钥的有效性。

8.根据权利要求7所述的密码设备，其特征在于，所述密钥生成装置还包括密钥输出模块；

9.根据权利要求1-3任一项所述的密码设备，其特征在于，所述SM4加密装置包括密钥接收模块、字节转换模块、加密模块和输出模块；

所述密钥接收模块用于接收密钥；

所述输出模块用于输出所述加密密文至所述接口装置。

10.根据权利要求9所述的密码装置，其特征在于，所述SM4加密装置还包括第二FIFO模块；

所述第二FIFO模块用于缓存所述32位并行数据。