CN116633529B - 采用派生密钥增强白盒sm4密码算法的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种采用派生密钥增强白盒SM4密码算法的方法，方法包括获取工作密钥和变换密钥，分别基于所述工作密钥和所述变换密钥生成第一轮密钥和第二轮密钥；对于每轮的所述第二轮密钥进行派生，生成每轮对应的派生密钥；基于第i轮的运算输入数据与第i轮对应的所述第一轮密钥，得到SM4算法的加密运算中T调用的第i轮输入，生成第i轮融合所述第一轮密钥的S盒；利用第i轮对应的所述派生密钥对第i轮生成的S盒、T调用的第i轮运算输入数据以及T调用的第i轮输出数据分别进行置乱操作，生成密文数据；本发明增加了白盒密码的冗余度、复杂性和安全性。

Description

采用派生密钥增强白盒SM4密码算法的方法及设备
技术领域
本发明涉及密码应用技术领域，具体涉及一种采用派生密钥增强白盒SM4密码算法的方法及设备。
背景技术
在白盒攻击环境(White-Box Attack Context)中，软件的执行过程对攻击者完全可见，运行在这种环境中的密码软件如果没有对密钥进行特殊的保护，攻击者通过观察或者执行密码软件很容易就可以获得密钥信息。白盒密码就是针对这种情况提出来的，其目的是为了在白盒攻击环境里保护密钥，将密钥信息隐藏在密码软件的执行过程中，防止攻击者在白盒攻击环境中抽取出密钥。
目前的大多数SM4白盒密码算法实现，是将扩展和派生后的轮密钥和S盒结合，并进行一定的输入输出变换，将密钥信息隐藏在查表过程中。比如公布号为CN115996113A的专利申请文献中提出将国产分组密码算法SM4以新的查找表技术进行白盒化，并采用国产密码算法SM3进行查找表数据完整性校验以防篡改。公布号为CN111800255A的专利申请文献中提出将密钥信息隐藏在查找表中，且增加了外部编码，使得查找表随机选取的输入和输出编码难以被攻破恢复。而公布号为CN115348101A的专利申请文献中提出利用混沌序列来动态构造S盒、系统参数和固定参数，通过对S盒的内容进行变化来降低数据传输过程中被破译的风险。
这些实现方式仍存在一定的问题：
（1）由于S盒以及查表信息都是可以获取的，所以存在一定的密钥析出风险。
（2）输入输出变换采用的是固定的参数，没有结合可变量，安全性存在一定的风险。
（3）和密钥一样，白盒密码算法代码也需要分发，由于数据量较大，分发过程存在风险。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何提升白盒密码算法中密钥的破解难度。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题的：
一方面，本发明提出了一种采用派生密钥增强白盒SM4密码算法的方法，所述方法包括：
获取工作密钥和变换密钥，分别基于所述工作密钥和所述变换密钥生成第一轮密钥和第二轮密钥；
对于每轮的所述第二轮密钥进行派生，生成每轮对应的派生密钥；
基于第i轮的运算输入数据与第i轮对应的所述第一轮密钥，得到SM4算法的加密运算中T调用的第i轮输入，生成第i轮融合所述第一轮密钥的S盒；
利用第i轮对应的所述派生密钥对第i轮生成的S盒、T调用的第i轮运算输入数据以及T调用的第i轮输出数据分别进行置乱操作，生成密文数据。
进一步地，所述工作密钥和所述变换密钥均由量子密钥分发网络生成。
进一步地，所述分别基于所述工作密钥和所述变换密钥生成第一轮密钥和第二轮密钥，包括：
采用SM4算法的轮密钥生成算法对所述工作密钥进行扩展，生成每轮对应的所述第一轮密钥；
采用SM4算法的轮密钥生成算法对所述变换密钥进行扩展，生成每轮对应的所述第二轮密钥。
进一步地，所述对于每轮的所述第二轮密钥进行派生，生成每轮对应的派生密钥，包括：
基于每轮预置的随机数对每轮对应的所述第二轮密钥进行派生，生成每轮对应的派生密钥，公式表示为：
pkey i1= HMAC_SM3（rk i2,salt i1||i||“parmeter derivation”）;
pkey i2= HMAC_SM3（pkey i1,salt i2||i||“parmeter derivation”||0）;
式中，salt i1、salt i2为第i轮预置的随机数，pkey i1、pkey i2为采用SM3密码杂凑算法生成的第i轮对应的派生密钥，rk i2为第i轮对应的所述第二轮密钥，||表示为串联，“parmeter derivation”为参与变换的固定字符串，HMAC_SM3表示使用SM3算法进行带密钥的杂凑运算HMAC。
进一步地，所述基于第i轮的运算输入数据与第i轮对应的所述第一轮密钥，得到SM4算法的加密运算中T调用的第i轮输入，生成第i轮融合所述第一轮密钥的S盒，包括：
以X=X i+1 X i+2/> X i+3=(a 0，a 1，a 2，a 3)作为SM4算法的加密运算中T调用的输入，令rk i1=(k i0，k i1，k i2，k i3)，则有：
；
生成第i轮融合所述第一轮密钥的S盒为：S ij(x)=Sbox(x k ij)；
式中，X为运算输入数据，X i+1、X i+2、X i+3为第i轮运算输入数据包括的输入数据组，为异或操作，a 0、a 1、a 2、a 3为组成32比特X的4个8比特分量；rk i1为第i轮对应的所述第一轮密钥，k i0、k i1、k i2、k i3为所述第i轮对应的所述第一轮密钥包括的四个子密钥；T( )为合成置换函数，由线性变换L和非线性变换τ组成，Sbox( )代表标准S盒，x代表组成第i轮32比特X的4个8比特分量之一a j(j=0,1,2,3)，k ij为第i轮4个子密钥之一k ij(j=0,1,2,3)。
进一步地，所述利用第i轮对应的所述派生密钥对第i轮生成的S盒、T调用的第i轮运算输入数据以及T调用的第i轮输出数据分别进行置乱操作，生成密文数据，包括：
利用第i轮对应的所述派生密钥对第i轮生成的S盒进行置乱操作，得到第i轮S盒的查表结果；
利用第i轮对应的所述派生密钥对T调用的第i轮运算输入数据X进行置乱操作，得到置乱后T调用的第i轮输入；
利用第i轮对应的所述派生密钥，结合第i轮S盒的查表结果与第i轮运算输入数据包括的输入数据组X i，对T调用的第i轮输出数据进行置乱操作，生成所述密文数据。
进一步地，所述利用第i轮对应的所述派生密钥对第i轮生成的S盒进行置乱操作，得到第i轮S盒的查表结果，包括：
根据第i轮对应的所述派生密钥pkey i1，生成数组P i[32]=pkey i1+Rnd i，Rnd i为256比特位实时产生的随机数；
根据所述数组，生成可逆矩阵E ij=P i[8j,8j+1,...,8j+7]，j=0,1,2,3；
利用所述可逆矩阵E ij对第i轮生成的j个S盒S ij进行置乱操作，则置乱后的S盒表示为S` ij= Eij S ij；
令第i轮置乱后的j个S盒查表后的输出为Z，则第i轮S盒的查表结果为V i=(Q i L)Z T，Q i/> L为可逆矩阵Q i与线性变换L的结合，T表示矩阵转置符号。
进一步地，所述利用第i轮对应的所述派生密钥对T调用的第i轮运算输入数据X进行置乱操作，置乱后T调用的第i轮输入，公式表示为：
X=X` i+1 X` i+2/> X` i+3= (M i+1/> X i+1)/>(M i+2/> X i+2)/>(M i+3/> X i+3)
式中，M i+j=P i+j -1 E ij -1，P i+j(x)=A i+j（x）/> α i，A i+j为可逆矩阵，pkey i2为第i轮对应的所述派生密钥，A i+j=pkey i2[4j,4j+1,4j+2,4j+3]，E ij为可逆矩阵，α i为常量，/>为异或操作，j=0,1,2,3。
进一步地，所述利用第i轮对应的所述派生密钥，结合第i轮S盒的查表结果与第i轮运算输入数据包括的输入数据组X i，对T调用的第i轮输出数据进行置乱操作，生成所述密文数据，包括：
对第i轮S盒的查表结果进行可逆仿射变换，得到Y`= (P i+4 α i`)/> Q i -1∙V i；
对置乱后T调用的第i轮输入进行可逆仿射变换，得到X`=(P i+4 α i``)P i -1/> X i；
对T调用的第i轮输出数据进行置乱操作，得到置乱后的输出数据作为所述白盒密码程序代码；
其中，V i为第i轮S盒的查表结果，Q i为可逆矩阵，α i`和α i``为常量，P i+4和P i为数组且在轮变换中统一排序并有所交叉，为异或操作。
此外，本发明还提出了一种采用派生密钥增强白盒SM4密码算法的设备，所述装置包括：
密钥获取模块，用于获取工作密钥和变换密钥，分别基于所述工作密钥和所述变换密钥生成第一轮密钥和第二轮密钥；
密钥派生模块，用于对于每轮的所述第二轮密钥进行派生，生成每轮对应的派生密钥；
加密模块，用于基于第i轮的运算输入数据与第i轮对应的所述第一轮密钥，得到SM4算法的加密运算中T调用的第i轮输入，生成第i轮融合所述第一轮密钥的S盒；
置乱模块，用于利用第i轮对应的所述派生密钥对第i轮生成的S盒、T调用的第i轮运算输入数据以及T调用的第i轮输出数据分别进行置乱操作，生成密文数据。
此外，本发明还提出了一种白盒密码程序代码安全分发系统，所述系统包括量子密钥分发网络，所述量子密钥分发网络中各量子网络节点连接有对应的采用派生密钥增强白盒SM4密码算法的设备，所述采用派生密钥增强白盒SM4密码算法的设备中存储的白盒密码程序代码采用如上所述采用派生密钥增强白盒SM4密码算法的方法生成，每个采用派生密钥增强白盒SM4密码算法的设备经安全存储介质连接有对应的通信参与方以为通信参与方充注白盒密码程序代码，所述通信参与方采用所述白盒密码程序代码进行数据加解密通信。
本发明的优点在于：
（1）本发明中通过增加一支变换密钥，并对变换密钥生成的第二轮密钥进行派生，产生足够数量且具备前后向安全性的派生密钥，利用派生密钥对S盒输入输出变换过程中的参数进行随机性变换，而不仅是对S盒的内容进行变换，从复杂度和信息冗余度上提升了白盒密码算法中密钥的破解难度，增加了白盒密码的冗余度、复杂性和安全性；且派生密钥与用于加密的第一轮密钥彼此独立，每一轮都要在基于派生密钥产生的轮密钥的基础上进行派生，每一轮派生出的密钥用于白盒加密过程中，随机性增强。
（2）通过量子密钥分发网络（Quantum key distribution，QKD）和白盒代码生成点实现跨域的远程白盒密码算法安全分发，提升了白盒密码分发过程的安全性，降低了代码分发过程的复杂性和资源消耗。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明一实施例提出的一种采用派生密钥增强白盒SM4密码算法的方法的流程示意图；
图2是本发明一实施例提出的一种采用派生密钥增强白盒SM4密码算法的设备的结构示意图；
图3是本发明一实施例提出的一种白盒密码程序代码安全分发系统的结构示意图；
图4是本发明一实施例中白盒密码程序代码安全分发系统的工作流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明第一实施例提出了一种采用派生密钥增强白盒SM4密码算法的方法，所述方法包括以下步骤：
S10、获取工作密钥和变换密钥，分别基于所述工作密钥和所述变换密钥生成第一轮密钥和第二轮密钥；
S20、对于每轮的所述第二轮密钥进行派生，生成每轮对应的派生密钥；
S30、基于第i轮的运算输入数据与第i轮对应的所述第一轮密钥，得到SM4算法的加密运算中T调用的第i轮输入，生成第i轮融合所述第一轮密钥的S盒；
S40、利用第i轮对应的所述派生密钥对第i轮生成的S盒、T调用的第i轮运算输入数据以及T调用的第i轮输出数据分别进行置乱操作，生成密文数据。
本实施例利用白盒SM4算法对明文数据进行加密的过程中，增加一支变换密钥，并对变换密钥生成的第二轮密钥进行派生，产生足够数量且具备前后向安全性的派生密钥作为S盒及输入输出变换的参数，通过在S盒的变换中结合可变量，从复杂度和信息冗余度上提升了白盒密码算法中密钥的破解难度，增加了白盒密码的冗余度、复杂性和安全性。
在一实施例中，所述工作密钥和所述变换密钥均由量子密钥分发网络生成并在全域同步。
具体地，本实施例中的工作密钥K 1和变换密钥K 2为由量子密钥分发网络QKD生成的两支128比特位的新鲜密钥，每个128比特位密钥由4个32比特位子密钥组成，并传递给量子密钥分发网络QKD中的各量子网络节点，再由量子网络节点传递给其所连接的白盒代码生成点，由白盒代码生成点生成白盒密码程序代码。
在一实施例中，在所述步骤S20中，分别基于所述工作密钥和所述变换密钥生成第一轮密钥和第二轮密钥，具体包括：
采用SM4算法的轮密钥生成算法对所述工作密钥进行扩展，生成每轮对应的所述第一轮密钥；
采用SM4算法的轮密钥生成算法对所述变换密钥进行扩展，生成每轮对应的所述第二轮密钥。
本实施例基于K 1和K 2分别生成32比特位的第一轮密钥rk i1和第二轮密钥rk i2，i=0,1,2,…,31，轮密钥生成方式采用国家标准GB/T 32907-2016《信息安全技术SM4分组密码算法》。
在一实施例中，所述步骤S20：对于每轮的所述第二轮密钥进行派生，生成每轮对应的派生密钥，具体包括：
基于每轮预置的随机数对每轮对应的所述第二轮密钥进行派生，生成每轮对应的派生密钥，公式表示为：
pkey i1= HMAC_SM3（rk i2,salt i1||i||“parmeter derivation”）;
pkey i2= HMAC_SM3（pkey i1,salt i2||i||“parmeter derivation”||0）;
式中，salt i1、salt i2为第i轮预置的随机数，pkey i1、pkey i2为采用SM3密码杂凑算法生成的第i轮对应的派生密钥，rk i2为第i轮对应的所述第二轮密钥，||表示为串联，“parmeter derivation”为参与变换的固定字符串，HMAC_SM3表示使用SM3算法进行带密钥的杂凑运算HMAC。
本实施例变换后的轮密钥采用基于SM3密码杂凑算法产生足够数量且具备前后向安全性的派生密钥作为S盒和输入输出变换的参数，pkey i1、pkey i2为采用SM3的带密钥杂凑算法的256比特位输出。
在一实施例中，所述步骤S30：基于第i轮的运算输入数据与第i轮对应的所述第一轮密钥，得到SM4算法的加密运算中T调用的第i轮输入，生成第i轮融合所述第一轮密钥的S盒，具体包括：
假设每轮运算输入为（X i,X i+1,X i+2,X i+3），输出为X i+4，以X=X i+1 X i+2/> X i+3=(a 0，a 1，a 2，a 3)作为SM4算法的加密运算中T调用的输入，令rk i1=(k i0，k i1，k i2，k i3)，i=0,1,2,…,31，则有：
；
生成第i轮融合所述第一轮密钥的S盒为：S ij(x)=Sbox(x k ij)，i=0,1,2,…,31，j=0,1,2,3；
式中，X为运算输入数据，X i+1、X i+2、X i+3为第i轮运算输入数据包括的输入数据组，为异或操作，a 0、a 1、a 2、a 3为组成32比特X的4个8比特分量；rk i1为第i轮对应的所述第一轮密钥，k i0、k i1、k i2、k i3为所述第i轮对应的所述第一轮密钥所包括的四个子密钥；T( )为合成置换函数，由线性变换L和非线性变换τ组成，Sbox( )代表标准S盒，x代表组成第i轮32比特X的4个8比特分量之一a j(j=0,1,2,3)，k ij为第i轮4个子密钥之一k ij(j=0,1,2,3)。
需要说明的是，每一轮SM4算法的加密运算采用国家标准GB/T 32907-2016《信息安全技术SM4分组密码算法》，本实施例每轮的S盒与密钥相关，每轮4个8比特位子密钥对应4个S盒，一共形成32×4个融合轮密钥的S盒。
在一实施例中，所述步骤S40：利用第i轮对应的所述派生密钥对第i轮生成的S盒、T调用的第i轮运算输入数据以及T调用的第i轮输出数据分别进行置乱操作，生成生成密文数据，包括：
S41、利用第i轮对应的所述派生密钥对第i轮生成的S盒进行置乱操作，得到第i轮S盒的查表结果；
S42、利用第i轮对应的所述派生密钥对T调用的第i轮运算输入数据X进行置乱操作，得到置乱后T调用的第i轮输入；
S43、利用第i轮对应的所述派生密钥，结合第i轮S盒的查表结果与第i轮运算输入数据包括的输入数据组X i，对T调用的第i轮输出数据进行置乱操作，生成生成密文数据。
在一实施例中，所述步骤S41：利用第i轮对应的所述派生密钥对第i轮生成的S盒进行置乱操作，得到第i轮S盒的查表结果，具体包括以下步骤：
根据第i轮对应的所述派生密钥pkey i1，生成数组P i[32]=pkey i1+Rnd i，Rnd i为256比特位实时产生的随机数；
根据所述数组，生成可逆矩阵E ij=P i[8j,8j+1,...,8j+7]，j=0,1,2,3；
利用所述可逆矩阵E ij对第i轮生成的j个S盒S ij进行置乱操作，则置乱后的S盒表示为S` ij= Eij S ij；
令第i轮置乱后的j个S盒查表后的输出为Z，则第i轮S盒的查表结果为V i=(Q i L)Z T，Q i/> L为可逆矩阵Q i与线性变换L的结合，T表示矩阵转置符号。
具体地，本实施例对第i轮的4个S盒S ij（i=0,1,2,…,31，j=0，1，2，3）进行置乱操作为：
令E ij=diag(E i0,E i1,E i2,E i3)，E ij为有限域GF(2)的8×8比特位可逆矩阵，P i[32]=pkey i1+Rnd i，Rnd i为256比特位实时产生的随机数，P i[32]为256比特位按序分隔得到的32×8比特位数组，E ij=P i[8j,8j+1,...,8j+7]，则置乱后的S盒S` ij= Eij S ij，随机构造GF(2)的32×32随机比特位可逆矩阵Q i并与L变换结合为Q i/> L，令第i轮的4个S盒查表后的输出为Z=（z i0,z i1,z i2,z i3），则V i=v i0/> v i1/> v i2/> v i3=(Q i/> L)(z i0,z i1,z i2,z i3)T，其结果构成4张子表的异或，4个S盒查表及Q i/> L变化统一为对这4张子表的查表和对查表结果的异或。
在一实施例中，所述步骤S42：利用第i轮对应的所述派生密钥对T调用的第i轮运算输入数据X进行置乱操作，置乱后T调用的第i轮输入，公式表示为：
X=X` i+1 X` i+2/> X` i+3= (M i+1/> X i+1)/>(M i+2/> X i+2)/>(M i+3/> X i+3)
式中，M i+j=P i+j -1 E ij -1，P i+j(x)=A i+j（x）/> α i，A i+j为GF(2)的32×32比特位可逆矩阵，pkey i2为第i轮对应的所述派生密钥，表示为256比特位按序分隔得到的32×8比特位数组，A i+j=pkey i2[4j,4j+1,4j+2,4j+3]，α i为32比特位常量，E ij为可逆矩阵，/>为异或操作，j=0,1,2,3。
在一实施例中，所述步骤S43：利用第i轮对应的所述派生密钥，结合第i轮S盒的查表结果与第i轮运算输入数据包括的输入数据组X i，对T调用的第i轮输出数据进行置乱操作，生成生成密文数据，具体包括以下步骤：
对第i轮S盒的查表结果进行可逆仿射变换，得到Y`= (P i+4 α i`)/> Q i -1/> V i；
对置乱后T调用的第i轮输入进行可逆仿射变换，得到X`=(P i+4 α i``)P i -1/> X i；
对T调用的第i轮输出数据进行置乱操作，得到置乱后的输出数据作为生成密文数据；
其中，V i为第i轮S盒的查表结果，Q i为32×32比特位可逆矩阵，α i`和α i``为32比特位常量，P i+4和P i与P i+j结构相同并且在轮变换中统一排序并有所交叉，使输入输出的P i+j可以相互抵消，为异或操作。
本实施例基于国家标准GB/T 32907-2016《信息安全技术SM4分组密码算法》所描述的算法标准实现过程，加以与工作密钥和变换密钥结合的相关变换，实现HMAC派生密钥增强安全性的白盒SM4密码算法，并将实现算法的代码存储在代码生成点的白盒库，使用安全SIM卡、安全TF卡或安全U盾等安全存储介质为通信参与方进行算法代码的安全充注和本地导入。并且通过量子密钥分发网络QKD和白盒代码生成点实现跨域的远程白盒密码算法安全分发，提升了白盒密码分发过程的安全性，降低了代码分发过程的复杂性和资源消耗。
如图2所示，本发明第二实施例提出了一种采用派生密钥增强白盒SM4密码算法的设备，所述设备包括：
密钥获取模块10，用于获取工作密钥和变换密钥，分别基于所述工作密钥和所述变换密钥生成第一轮密钥和第二轮密钥；
密钥派生模块20，用于对于每轮的所述第二轮密钥进行派生，生成每轮对应的派生密钥；
加密模块30，用于基于第i轮的运算输入数据与第i轮对应的所述第一轮密钥，得到SM4算法的加密运算中T调用的第i轮输入，生成第i轮融合所述第一轮密钥的S盒；
置乱模块40，用于利用第i轮对应的所述派生密钥对第i轮生成的S盒、T调用的第i轮运算输入数据以及T调用的第i轮输出数据分别进行置乱操作，生成用于密文数据。
本实施例提出的采用派生密钥增强白盒SM4密码算法的设备，通过增加一支变换密钥，并对变换密钥生成的第二轮密钥进行派生，产生足够数量且具备前后向安全性的派生密钥作为S盒及输入输出变换的参数，通过将S盒的变换中结合可变量，从复杂度和信息冗余度上提升白盒密码算法中密钥的破解难度，增加了白盒密码的冗余度、复杂性和安全性。
在一实施例中，所述工作密钥和所述变换密钥为通过量子密钥分发网络QKD生成并在全域同步两支128比特位的新鲜密钥。
在一实施例中，所述密钥获取模块10，包括：
第一扩展单元，用于采用SM4算法的轮密钥生成算法对所述工作密钥进行扩展，生成每轮对应的所述第一轮密钥；
第二扩展单元，用于采用SM4算法的轮密钥生成算法对所述变换密钥进行扩展，生成每轮对应的所述第二轮密钥。
在一实施例中，所述密钥派生模块20，具体用于：
基于每轮预置的随机数对每轮对应的所述第二轮密钥进行派生，生成每轮对应的派生密钥，公式表示为：
pkey i1= HMAC_SM3（rk i2,salt i1||i||“parmeter derivation”）;
pkey i2= HMAC_SM3（pkey i1,salt i2||i||“parmeter derivation”||0）;
式中，salt i1、salt i2为第i轮预置的随机数，pkey i1、pkey i2为采用SM3密码杂凑算法生成的第i轮对应的派生密钥，rk i2为第i轮对应的所述第二轮密钥，||表示为串联，“parmeter derivation”为参与变换的固定字符串，HMAC_SM3表示使用SM3算法进行带密钥的杂凑运算HMAC。
在一实施例中，所述加密模块30，具体用于：
以X=X i+1 X i+2/> X i+3=(a 0，a 1，a 2，a 3)作为SM4算法的加密运算中T调用的输入，令rk i1=(k i0，k i1，k i2，k i3)，则有：
；
生成第i轮融合所述第一轮密钥的S盒为：S ij(x)=Sbox(x k ij)；
式中，X为运算输入数据，X i+1、X i+2、X i+3为第i轮运算输入数据包括的输入数据组，为异或操作，a 0、a 1、a 2、a 3为组成32比特X的4个8比特分量；rk i1为第i轮对应的所述第一轮密钥，k i0、k i1、k i2、k i3为所述第i轮对应的所述第一轮密钥包括的四个子密钥；T( )为合成置换函数，由线性变换L和非线性变换τ组成，Sbox( )代表标准S盒，x代表组成第i轮32比特X的4个8比特分量之一a j(j=0,1,2,3)，k ij为第i轮4个子密钥之一k ij(j=0,1,2,3)。
在一实施例中，所述置乱模块40，包括：
第一置乱单元，用于利用第i轮对应的所述派生密钥对第i轮生成的S盒进行置乱操作，得到第i轮S盒的查表结果；
第二置乱单元，用于利用第i轮对应的所述派生密钥对T调用的第i轮运算输入数据进行置乱操作，置乱后T调用的第i轮输入；
第三置乱单元，用于利用第i轮对应的所述派生密钥，结合第i轮S盒的查表结果与第i轮运算输入数据包括的输入数据组X i，对T调用的第i轮输出数据进行置乱操作，生成所述白盒密码程序代码。
在一实施例中，所述第一置乱单元，具体用于：
根据第i轮对应的所述派生密钥pkey i1，生成数组P i[32]=pkey i1+Rnd i，Rnd i为256比特位实时产生的随机数；
根据所述数组，生成可逆矩阵E ij=P i[8j,8j+1,...,8j+7]，j=0,1,2,3；
利用所述可逆矩阵E ij对第i轮生成的j个S盒S ij进行置乱操作，则置乱后的S盒表示为S` ij= Eij S ij；
令第i轮置乱后的j个S盒查表后的输出为Z，则第i轮S盒的查表结果为V i=(Q i L)Z T，Q i/> L为可逆矩阵Q i与线性变换L的结合，T表示矩阵转置符号。
在一实施例中，所述第二置乱单元，具体用于：
利用第i轮对应的所述派生密钥对T调用的第i轮运算输入数据进行置乱操作，置乱后T调用的第i轮输入，公式表示为：
X=X` i+1 X` i+2/> X` i+3= (M i+1/> X i+1)/>(M i+2/> X i+2)/>(M i+3/> X i+3)
式中，M i+j=P i+j -1 E ij -1，P i+j(x)=A i+j（x）/> α i，A i+j为可逆矩阵，pkey i2为第i轮对应的所述派生密钥，A i+j=pkey i2[4j,4j+1,4j+2,4j+3]，E ij为可逆矩阵，α i为常量，/>为异或操作，j=0,1,2,3。
在一实施例中，所述第三置乱单元，具体用于：
对第i轮S盒的查表结果进行可逆仿射变换，得到Y`= (P i+4 α i`)/> Q i -1/> V i；
对置乱后T调用的第i轮输入进行可逆仿射变换，得到X`=(P i+4 α i``)P i -1/> X i；
对T调用的第i轮输出数据进行置乱操作，得到置乱后的输出数据作为所述白盒密码程序代码；
其中，V i为第i轮S盒的查表结果，Q i为可逆矩阵，α i`和α i``为常量，P i+4和P i为数组且在轮变换中统一排序并有所交叉，为异或操作。
需要说明的是，本发明所述采用派生密钥增强白盒SM4密码算法的设备的其他实施例或具有实现方法可参照上述各方法实施例，此处不再赘余。
如图3所示，本发明第三实施例提出了一种白盒密码程序代码安全分发系统，所述系统包括量子密钥分发网络1，所述量子密钥分发网络1中各量子网络节点连接有对应的代码生成点2，所述代码生成点2中存储有采用如上所述的采用派生密钥增强白盒SM4密码算法的方法生成的白盒密码程序代码，每个代码生成点2连接有对应的通信参与方3，所述通信参与方3采用所述白盒密码程序代码进行数据加解密通信。
具体地，通信参与方包括通信发起方和通信接收方，用于使用白盒密码算法参与加密通信的软硬件节点，使用安全SIM卡、安全TF卡或安全U盾等安全存储介质将对应的白盒代码生成点中的白盒SM4密码算法代码充注并导入到本地存储和运行空间。
白盒代码生成点，用于根据不同的密钥生成不同的白盒密码程序代码，压缩后经安全存储介质向通信参与方进行白盒代码充注或分发。
量子密钥分发网络包含量子网络节点和量子网络链路控制中心，实现量子密钥生成和分发、量子密钥中继、量子密钥提供等服务；其中量子网络节点，用于存储生成的量子密钥，接收密钥代理的密钥申请，向密钥代理提供密钥或直接提供密钥充注和密钥分发服务；量子网络链路控制中心，用于按照量子网络节点ID建立节点间的量子密钥分发及中继链路。
进一步地，所述系统还设置有密钥代理，用于在通信参与方不能直接在量子密钥分发网络的节点进行密钥充注和密钥分发的情况下提供密钥充注和密钥分发的代理功能。
在一实施例中，如图4所示，本实施例提出的白盒密码程序代码安全分发系统的工作流程为：
（1）通过量子密钥分发网络QKD生成并在全域同步两支128比特位的工作密钥K 1和变换密钥K 2并传递给连接各QKD节点的白盒代码生成装置。
（2）白盒代码生成装置基于K 1和K 2生成32比特位轮密钥rk i1和rk i2，i=0,1,2,…,31，并对每轮的轮密钥rk i2进行派生。
（3）在每一轮SM4算法的加密运算中，生成S ij(x)=Sbox(x k ij)i=0,1,2,…,31，j=0,1,2,3，即每轮的S盒与密钥相关，每轮4个8比特位子密钥对应4个S盒，一共形成32×4个融合轮密钥的S盒。
（4）对第i轮的4个S盒S ij进行置乱操作，得到第i轮S盒的查表结果。
（5）对T调用的第i轮输入数据进行输入置乱操作，得到置乱后T调用的第i轮输入。
（6）对T调用的第i轮输出数据进行输出置乱操作，输出Xi+4=X` Y`。
本实施例通过量子密钥分发网络QKD和白盒代码生成点实现跨域的远程白盒密码算法安全分发，提升了白盒密码分发过程的安全性，降低了代码分发过程的复杂性和资源消耗；并通过对变换后的轮密钥采用基于SM3算法的带密钥杂凑运算产生足够数量且具备前后向安全性的派生密钥作为S盒输入输出变换的参数，从复杂度和信息冗余度上提升了白盒密码算法中密钥的破解难度。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种采用派生密钥增强白盒SM4密码算法的方法，其特征在于，所述方法包括：
获取工作密钥和变换密钥，分别基于所述工作密钥和所述变换密钥生成第一轮密钥和第二轮密钥；
对于每轮的所述第二轮密钥进行派生，生成每轮对应的派生密钥，包括：
基于每轮预置的随机数对每轮对应的所述第二轮密钥进行派生，生成每轮对应的派生密钥，公式表示为：
pkey i1 = HMAC_SM3（rk i2,salt i1||i||“parmeter derivation”）;
pkey i2 = HMAC_SM3（pkey i1,salt i2||i||“parmeter derivation”||0）;
式中，salt i1、salt i2为第i轮预置的随机数，pkey i1、pkey i2为采用SM3密码杂凑算法生成的第i轮对应的派生密钥，rk i2为第i轮对应的所述第二轮密钥，||表示为串联，“parmeterderivation”为参与变换的固定字符串，HMAC_SM3表示使用SM3算法进行带密钥的杂凑运算HMAC；
基于第i轮的运算输入数据与第i轮对应的所述第一轮密钥，得到SM4算法的加密运算中T调用的第i轮输入，生成第i轮融合所述第一轮密钥的S盒；
利用第i轮对应的所述派生密钥对第i轮生成的S盒、T调用的第i轮运算输入数据以及T调用的第i轮输出数据分别进行置乱操作，生成密文数据。
2.如权利要求1所述的采用派生密钥增强白盒SM4密码算法的方法，其特征在于，所述工作密钥和所述变换密钥均由量子密钥分发网络生成。
3.如权利要求1所述的采用派生密钥增强白盒SM4密码算法的方法，其特征在于，所述分别基于所述工作密钥和所述变换密钥生成第一轮密钥和第二轮密钥，包括：
采用SM4算法的轮密钥生成算法对所述工作密钥进行扩展，生成每轮对应的所述第一轮密钥；
采用SM4算法的轮密钥生成算法对所述变换密钥进行扩展，生成每轮对应的所述第二轮密钥。
4.如权利要求1所述的采用派生密钥增强白盒SM4密码算法的方法，其特征在于，所述基于第i轮的运算输入数据与第i轮对应的所述第一轮密钥，得到SM4算法的加密运算中T调用的第i轮输入，生成第i轮融合所述第一轮密钥的S盒，包括：
以X = X i+1 X i+2/> X i+3 =(a 0，a 1，a 2，a 3)作为SM4算法的加密运算中T调用的输入，令rk i1=(k i0，k i1，k i2，k i3)，则有：
；
生成第i轮融合所述第一轮密钥的S盒为：S ij(x)= Sbox (x k ij)；
式中，X为运算输入数据，X i+1、X i+2、X i+3为第i轮运算输入数据包括的输入数据组，为异或操作，a 0、a 1、a 2、a 3为组成32比特X的4个8比特分量；rk i1为第i轮对应的所述第一轮密钥，k i0、k i1、k i2、k i3为所述第i轮对应的所述第一轮密钥包括的四个子密钥；T( )为合成置换函数，由线性变换L和非线性变换τ组成，Sbox ( )代表标准S盒，x代表组成第i轮32比特X的4个8比特分量之一a j，k ij为第i轮4个子密钥之一，j=0,1,2,3。
5.如权利要求1所述的采用派生密钥增强白盒SM4密码算法的方法，其特征在于，所述利用第i轮对应的所述派生密钥对第i轮生成的S盒、T调用的第i轮运算输入数据以及T调用的第i轮输出数据分别进行置乱操作，生成密文数据，包括：
利用第i轮对应的所述派生密钥对第i轮生成的S盒进行置乱操作，得到第i轮S盒的查表结果；
利用第i轮对应的所述派生密钥对T调用的第i轮运算输入数据X进行置乱操作，得到置乱后T调用的第i轮输入；
利用第i轮对应的所述派生密钥，结合第i轮S盒的查表结果与第i轮运算输入数据包括的输入数据组X i，对T调用的第i轮输出数据进行置乱操作，生成所述密文数据。
6.如权利要求5所述的采用派生密钥增强白盒SM4密码算法的方法，其特征在于，所述利用第i轮对应的所述派生密钥对第i轮生成的S盒进行置乱操作，得到第i轮S盒的查表结果，包括：
根据第i轮对应的所述派生密钥pkey i1，生成数组P i[32]=pkey i1+Rnd i，Rnd i为256比特位实时产生的随机数；
根据所述数组，生成可逆矩阵E ij=P i[8j,8j+1,...,8j+7]，j=0,1,2,3；
利用所述可逆矩阵E ij对第i轮生成的j个S盒S ij进行置乱操作，则置乱后的S盒表示为S ` ij = Eij S ij；
令第i轮置乱后的j个S盒查表后的输出为Z，则第i轮S盒的查表结果为V i=(Q i L)Z T，Q i/> L为可逆矩阵Q i与线性变换L的结合，T表示转置符号。
7.如权利要求5所述的采用派生密钥增强白盒SM4密码算法的方法，其特征在于，所述利用第i轮对应的所述派生密钥对T调用的第i轮运算输入数据X进行置乱操作，置乱后T调用的第i轮输入，公式表示为：
X=X` i+1 X` i+2/> X` i+3= (M i+1/> X i+1)/>(M i+2/> X i+2)/>(M i+3/> X i+3)
式中，M i+j = P i+j -1 E ij -1，P i+j(x)=A i+j（x）/> α i，A i+j为可逆矩阵，pkey i2为第i轮对应的所述派生密钥，A i+j= pkey i2[4j,4j+1,4j+2,4j+3]，α i为常量，E ij为可逆矩阵，/>为异或操作，j=0,1,2,3。
8.如权利要求5所述的采用派生密钥增强白盒SM4密码算法的方法，其特征在于，所述利用第i轮对应的所述派生密钥，结合第i轮S盒的查表结果与第i轮运算输入数据包括的输入数据组X i，对T调用的第i轮输出数据进行置乱操作，生成所述密文数据，包括：
对第i轮S盒的查表结果进行可逆仿射变换，得到Y` = (P i+4 α i`)/> Q i -1/> V i；
对置乱后T调用的第i轮输入进行可逆仿射变换，得到X`=(P i+4 α i``) P i -1/> X i；
对T调用的第i轮输出数据进行置乱操作，得到置乱后的输出数据作为白盒密码程序代码；
其中，V i为第i轮S盒的查表结果，Q i为可逆矩阵，α i`和α i``为常量，P i+4和P i为数组且在轮变换中统一排序并有所交叉，为异或操作。
9.一种采用派生密钥增强白盒SM4密码算法的设备，其特征在于，包括：
密钥获取模块，用于获取工作密钥和变换密钥，分别基于所述工作密钥和所述变换密钥生成第一轮密钥和第二轮密钥；
密钥派生模块，用于对于每轮的所述第二轮密钥进行派生，生成每轮对应的派生密钥，包括：
基于每轮预置的随机数对每轮对应的所述第二轮密钥进行派生，生成每轮对应的派生密钥，公式表示为：
pkey i1 = HMAC_SM3（rk i2,salt i1||i||“parmeter derivation”）;
pkey i2 = HMAC_SM3（pkey i1,salt i2||i||“parmeter derivation”||0）;
式中，salt i1、salt i2为第i轮预置的随机数，pkey i1、pkey i2为采用SM3密码杂凑算法生成的第i轮对应的派生密钥，rk i2为第i轮对应的所述第二轮密钥，||表示为串联，“parmeterderivation”为参与变换的固定字符串，HMAC_SM3表示使用SM3算法进行带密钥的杂凑运算HMAC；
加密模块，用于基于第i轮的运算输入数据与第i轮对应的所述第一轮密钥，得到SM4算法的加密运算中T调用的第i轮输入，生成第i轮融合所述第一轮密钥的S盒；
置乱模块，用于利用第i轮对应的所述派生密钥对第i轮生成的S盒、T调用的第i轮运算输入数据以及T调用的第i轮输出数据分别进行置乱操作，生成密文数据。
10.一种白盒密码程序代码安全分发系统，其特征在于，所述系统包括量子密钥分发网络，所述量子密钥分发网络中各量子网络节点连接有对应的代码生成点，所述代码生成点中存储有采用如权利要求1~8任一项所述的采用派生密钥增强白盒SM4密码算法的方法生成的白盒密码程序代码，每个代码生成点经安全存储介质连接有对应的通信参与方用于为通信参与方充注白盒密码程序代码，所述通信参与方采用所述白盒密码程序代码进行数据加解密通信。
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