CN105959098A - 基于多分割Feistel网络的保留格式加密算法 - Google Patents

Abstract

基于多分割Feistel网络的保留格式加密算法，该方法包括如下步骤：将明文空间S按照其固有格式分为t部分：S ₁ ,S ₂ ,…,S _t 。其中记集合S _i 的大小为n _i 。设定Feistel网络的轮次数r与轮函数所使用的密钥k，其中轮次数r为与分割数t相关的偶数；对于给定的明文m，将其进行格式化表示：m=x ₁ || x ₂ || … || x _t ，其中：x ₁ ∈S ₁ ,x ₂ ∈S ₂ ,…,x _t ∈S _t ；将x ₁ ,x ₂ ,…,x _n 作为t分割Feistel网络的t个输入，或记输入为;执行r轮的轮运算，最终输出的密文为c=y ₁ || y ₂ || … || y _t ，其中：y ₁ ∈S ₁ ，y ₂ ∈S ₂ ，…，y _t ∈S _t ，本发明的优点在于：通过将敏感数据分段并定义不同分段的值域，采用自定义的伪随机函数、模加与模减运算，采用Feistel网络执行偶数轮次的轮运算，以实现保留格式不变的加密，可支持保留任意给定格式的数值型数据加密方案，加密后不影响数据与数据库，为已有数据库应用***中数值型个人识别信息的加密保护提供了可能。

Description

基于多分割Feistel网络的保留格式加密算法

技术领域

本发明属于数据加密领域，具体涉及一种保留任意给定格式的数值型加密方法，该方法可以在需要对敏感信息进行加密的环境（数据库、网络、智能卡虚拟机等）中应用。

背景技术

互联网的快速发展，使得存储介质（数据库、移动设备、智能卡等）中的敏感数据越来越容易被窃取，根本原因在于它们对这些敏感数据的存储仍然采用明文的方式，而加密是增强所存储的敏感数据安全性的最有效方式。敏感数据往往会包含自身的固定格式，例如身份证号、银行***等。但传统的加密算法，比如AES、3DES等，都会破坏数据的格式，使得加密后的数据无法在原有的数据库或节点中存储，而且会破坏已有的业务***的功能。如何对这些信息加密却不破坏其固有的格式，以确保现有的业务***、数据库存储结构尽可能少的改动，是一个必须要解决的问题。

发明内容

本发明目的是解决传统的加密算法会破坏数据的格式，使得加密后的数据无法在原有的数据库、移动设备或者智能卡等存储介质中存储的问题，提供一种敏感数据的保留格式加密方法。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

基于多分割Feistel网络的保留格式加密算法，该方法包括如下步骤：

1.1.将明文空间S按照其固有格式分为t部分：S ₁ , S ₂ , … ,S _t 。其中记集合S _i 的大小为n _i 。

1.2.设定Feistel网络的轮次数r与轮函数所使用的密钥k，其中轮次数r为与分割数t相关的偶数；

1.3.对于给定的明文m，将其进行格式化表示：m =x ₁ || x ₂ || … || x _t ，其中：x ₁ ∈S ₁ , x ₂ ∈S ₂ ,… ,x _t ∈S _t ；将x ₁ , x ₂ , … ,x _n 作为t分割Feistel网络的t个输入，或记输入为。

1.4.执行r轮的轮运算，最终输出的密文为c =y ₁ || y ₂ || … || y _t ，其中：y ₁ ∈S ₁ ，y ₂ ∈S ₂ ，…，y _t ∈S _t 。

1.4中的轮运算：

2.1.对于每一轮分割Feistel网络运算，若输入为：

则输出为：

先通过伪随机置换函数

将通过F映射到上。

2.2.若S _i 的大小为n _i ，则可将S _i 视为环，则F为由该轮加密密钥唯一确定的上的置换：

。

2.3.随机置换F可采用AES/DES等标准加密方法，在对加密结果进行相应的模运算即可。

2.1中采用的模加运算：

3.1. 模加运算的结果属于集合，上述模加运算抽象表示为：

即对 ，有

进一步地，仍可将S _i 视为环 ，从而

3.2．模加运算的具体过程（这里以为例）：

a.按照下列方法，分别将和嵌入到上：

，。

具体地，如，；

b.对上述结果在中进行加法运算（即为整数加法），即在中进行加法运算：

c.将中元素进行模运算，得到中的结果，例如：

综上所述，完成了模加。

本例中，具体为，。

本发明的优点在于：通过将敏感数据分段并定义不同分段的值域，采用自定义的伪随机函数、模加与模减运算，采用Feistel网络执行偶数轮次的轮运算，以实现保留格式不变的加密，可支持保留任意给定格式的数值型数据加密方案，加密后不影响数据与数据库、节点和业务***的兼容性，为已有数据库应用***中数值型个人识别信息的加密保护提供了可能。

附图说明

图1是本发明所述I型t分割Feistel加密算法原理图。

具体实施方式

本发明所述的基于多分割Feistel网络的保留格式加密算法包括如下步骤：

1.将一个敏感的明文信息划分，根据其给定格式，划分成为t个数据段。即，将明文空间S按照其固有格式分为t部分：S ₁ , S ₂ , … ,S _t 。这样，S就可以表示为：

其中，若记集合S _i 的大小为n _i ，则进一步可将S表示为：

2.确定t分割Feistel网络的轮次数r，以及每轮函数所使用的密钥

，

其中轮次数r为t的偶数倍；

3.使用表示一个合法的敏感数据，其中：x ₁ ∈S ₁ ,x ₂ ∈S ₂ ,… ,x _t ∈S _t ；即分别将x ₁ , x ₂ , … ,x _n 作为t分割Feistel网络第一轮的t个输入。

4.执行r轮的轮运算：若某一轮的输入为

则输出为：

，y ₁ ∈S ₁ ，y ₂ ∈S ₂ ，…，y _t ∈S _t

根据图1所示的t分割Feistel网络，即为：

5. 每一轮所采用的动态模加运算的结果属于集合，上述模加运算抽象表示为：

即对 ，有

进一步地，可将S _i 视为环 ，从而

6. 模加运算的具体过程（这里以为例）：

a.按照下列方法，分别将和嵌入到上：

，。

具体地，如，；

b.对上述结果在中进行加法运算（即为整数加法），即在中进行加法运算：

c.将中元素进行模运算，得到中的结果，例如：

综上所述，完成了模加。

本例中，具体为，。

本发明涉及的与数据加密有关的一些基本概念：

（1）分组密码：分组密码是将明文消息编码表示后的数字（简称明文数字）序列，划分成长度为n的分组（可看成长度为n的矢量），每个分组分别在密钥的控制下变换成等长的输出数字（简称密文数字）序列。

（2）3DES：3DES（或称为Triple DES）是三重数据加密算法（TDEA，Triple DataEncryption Algorithm）分组密码的通称。它相当于是对每个数据分组应用三次DES加密算法。由于计算机运算能力的增强，原版DES密码的密钥长度变得容易被暴力破解；3DES即是设计用来提供一种相对简单的方法，即通过增加DES的密钥长度来避免类似的攻击，而不是设计一种全新的分组密码算法。

（3）AES：密码学中的高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES），是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。这个标准用来替代原先的DES，已经被多方分析且广为全世界所使用。经过五年的甄选流程，高级加密标准由美国国家标准与技术研究院（NIST）于2001年11月26日发布于FIPS PUB 197，并在2002年5月26日成为有效的标准。2006年，高级加密标准已然成为对称密钥加密中最流行的算法之一。

（4）Feistel网络：Feistel网络是用于分组密码设计的一种对称结构。很多密码标准都采用了Feistel 结构，其中包括DES。Feistel 的优点在于：由于它是对称的密码结构，所以对信息的加密和解密的过程就极为相似，甚至完全一样。这就使得在实施的过程中，对编码量和线路传输的要求就减少了几乎一半。

（5）伪随机置换函数：在计算机、通信***中采用的随机数、随机码均为伪随机数、伪随机码。所谓“随机码”，就是无论这个码有多长都不会出现循环的现象，而“伪随机码”在码长达到一定程度时会从其第一位开始循环，由于出现的循环长度相当大，例如CDMA采用42位的伪随机码，重复的可能性为4.4万亿分之一，所以可以当成随机码使用。

具有特定格式的敏感信息的分段表示

本发明提供的敏感信息的分段表示如下：

将一个敏感信息按其特征划分为t个数据分段：，每个数据分段由具有相同数据特征的数值组成，可用一个整数有限域来表达。

比如，可以将一个合法的18位的身份证号码划分为七部分：，分别表示地区码、出生年、出生月、出生日、顺序码和校验码。其中，每部分的字符长度为：6、4、2、2、3、1；每部分的值域为：S₁={0, …, 999999}, S₂={1900, …, 2050}, S₃={1, …,12}, S₄={1, …, 31}, S₅={1, …, 999}, S₆={0, …, 9, ‘X’}。

本发明以身份证号码为例，对基于t分割的保留格式的加密方法进行详细说明。

加密算法：

第一、将一个合法的18位的身份证号码划分为六部分：，分别表示地区码、出生年、出生月、出生日、随机数和校验码。其中，每部分的长度为： 6， 4，2， 2， 3,1；每部分的值域为：S ₁={0, …, 999999}（这里忽略地区码的意义，将其视作是0,…, 999999构成的集合）, S ₂={1901, …, 2050}, S ₃={1, …, 12}, S ₄={0, …, 31}, S ₅={1, …, 999}, S ₆={0, …, 9, ‘X’}；其中S ₆的值可以通过对前五部分采用校验码运算而得出，但这里为了方便叙述，假设其与前五部分独立。

使用表示一个合法的身份证号码，其中：x ₁ ∈S ₁ ,x ₂ ∈S ₂ ,… ,x ₆ ∈S ₆ 。

第二、为了说明加密过程，设定I型6分割Feistel网络的轮次数r=6（实际应用中轮次数为6的倍数，且需要大于6轮），以及随机置换函数F需要的密钥。

第三、将作为Feistel网络的输入，执行共r=6轮的轮运算：

第一轮：

第二轮输入为，依此类推。

第四、完成第6轮后，得到一个与输入等长且拥有相同格式的输出，其中：y ₁ ∈S ₁ ，y ₂ ∈S ₂ ，…，y ₆ ∈S ₆ ；

第五、解密过程与第三加密相反，将作为输入，执行共r=6轮的轮运算：

第一轮：

其中e为的逆运算；

第二轮输入为，依此类推。

具体执行过程：

加密过程：

输入身份证号码明文为370722196304091511，结合上文中的定义，得到实际输入的其格式化表述：。这里的随机置换函数采用标准AES加密，若明文空间为，则对加密结果进行模操作，使得置换结果仍属于。

------------------------r = 1 （第一轮）------------------------

输入：，其中：

计算：

，

输出：

------------------------r = 2（第二轮）------------------------

输入：

计算：

,

输出：

-----------------------r = 3（第三轮）------------------------

输入：

计算：

,

输出：

-----------------------r=4（第四轮）------------------------

输入：

计算：

,

输出：

-----------------------r=5（第五轮）------------------------

输入：

计算：

,

输出：

-----------------------r=6（第一轮）------------------------

输入：

计算：

,

输出：

最后还原为身份证号形式得到：

即。

解密过程：

输入身份证号码密文为370903202306042605，

-----------------------r=1（第一轮）------------------------

输入：

计算：

,

输出：

-----------------------r=2（第二轮）------------------------

输入：

计算：

,

输出：

-----------------------r=3（第三轮）------------------------

输入：

计算：

,

输出：

-----------------------r=4（第四轮）------------------------

输入：

计算：

,

输出：

------------------------r=5（第五轮）------------------------

输入：

计算：

,

输出：

------------------------r=1（第一轮）------------------------

输入：，其中：

计算：

，

输出：

最后还原为身份证号形式得到：

即得370722196304091511。

Claims (3)

1.基于多分割Feistel网络的保留格式加密算法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

1.1.将明文空间S按照其固有格式分为t部分：S ₁ , S ₂ , … ,S _t ，其中记集合S _i 的大小为n _i ；

1.2.设定Feistel网络的轮次数r与轮函数所使用的密钥k，其中轮次数r为与分割数t相关的偶数；

1.3.对于给定的明文m，将其进行格式化表示：m =x ₁ || x ₂ || … || x _t ，其中：x ₁ ∈S ₁ , x ₂ ∈S ₂ ,… ,x _t ∈S _t ；将x ₁ , x ₂ , … ,x _n 作为t分割Feistel网络的t个输入，或记输入为;

1.4.执行r轮的轮运算，最终输出的密文为c =y ₁ || y ₂ || … || y _t ，其中：y ₁ ∈S ₁ ，y ₂ ∈S ₂ ，… ，y _t ∈S _t 。

2.基于多分割Feistel网络的保留格式加密算法，其特征在于：1.4中的轮运算：

2.1.对于每一轮分割Feistel网络运算，若输入为：

则输出为：

先通过伪随机置换函数

将通过F映射到上;

2.2.若S _i 的大小为n _i ，则可将S _i 视为环，则F为由该轮加密密钥唯一确定的上的置换：

；

2.3.随机置换F可采用AES/DES等标准加密方法，在对加密结果进行相应的模运算即可。

3.基于多分割Feistel网络的保留格式加密算法，其特征在于：2.1中采用的模加运算：

模加运算的结果属于集合，上述模加运算抽象表示为：

即对 ，有

进一步地，仍可将S _i 视为环 ，从而

；

3.2．模加运算的具体过程（这里以为例）；

a.按照下列方法，分别将和嵌入到上：

，；

具体地，如，；

b.对上述结果在中进行加法运算（即为整数加法），即在中进行加法运算：

c.将中元素进行模运算，得到中的结果，例如：

综上所述，完成了模加；

本例中，具体为，。