CN110247754B - 一种分组密码fbc的实现方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分组密码FBC的实现方法及装置。本发明加密方法为：1)将明文数据分成多个明文数据组，其中每一明文数据组为n比特明文数据；2)设置主密钥k，其长度为m比特，根据主密钥k生成分组密码FBC的轮密钥；其中，m＝Nn，N为自然数；设置循环左移位的比特位数s和t；设置一轮函数F以及轮数r；3)对每一明文数据组P，将其分成4个w比特的字，利用轮密钥和轮函数F按四路两重Feistel结构对明文数据组P进行r轮加密，得到密文C。本发明在保证行之间混淆程度的情况下，使得密码实现开销达到最优。

Description

一种分组密码FBC的实现方法及装置

技术领域

本发明属于信息安全技术领域，具体涉及一种分组密码FBC的实现方法以及相应的装置。

背景技术

分组密码是一种主流的密码体制之一。由于其明文信息有良好的扩展性，对***的敏感性，不需要密钥同步及较强的适用性，分组密码适合作为加密标准。

目前分组密码所采用的整体结构可分为Feistel结构(例如CAST—256、DEAL、DFC、E2等)、SP网络(例如Safer+、Serpent等)及其他密码结构(例如Frog和HPC)。加解密相似是Feistel型密码的一个实现优点，但它在密码的扩散似乎有些慢，例如需要两轮才能改变输入的每一个比特。SP的网络结构非常清晰，S一般被称为混淆层，主要起混淆作用。P一般被称为扩散层，主要起扩散作用。在明确S和P的某些密码指标后，设计者能估计SP型密码抵抗差分密码分析和线性密码分析的能力。SP网络和Feistel网络相比，可以得到更快速的扩散，但是SP密码的加/解密通常不相似。

目前Bit-Slice技术是实现分组密码的一种有效手段，具有良好的安全性。但是对明文分组的行之间的混淆程度不够，通常的做法是对明文分组进行列变换之后再进行一个线性行变换，从而保证行之间的混淆程度，相应地也增加了密码实现的代价。针对这一问题，本发明通过选取合适的S盒以及循环移位的位数，只需要进行S盒变换以及循环移位相加，就能达到之前需要进行行变换的效果，在保证行之间混淆程度的情况下，使得密码实现的开销达到最优。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种快速、高效分组密码FBC实现方法以及相应的装置。

本发明分组密码实现方法的具体方案如下：

一种分组密码FBC的实现方法，其特征在于包括以下步骤：

1.一种分组密码FBC的实现方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1.1：将明文数据按每组n比特分成明文数据组，n可取128和256；

步骤1.2：设置主密钥k，其长度为m比特，由主密钥k产生分组密码FBC的轮密钥；其中，m＝Nn，N为自然数；

步骤1.3：设置循环左移位的比特位数s和t(对明文数据分组进行S盒变换后通过循环移位相加实现行之间的混淆)；

步骤1.4：设置分组密码算法FBC的轮函数F，并设置该密码算法的轮数r；

步骤1.5：对n比特明文P，将其分成4个w比特的字，利用轮密钥和轮函数F按四路两重Feistel结构对明文P进行r轮加密，得到密文C。

本发明在对明文数据组P进行S盒变换后，添加了一个行变换

v是S盒变换后的中间变量，s,t为步骤1.3中选取的参数，s,t参数的选取使得在同样的混淆程度下，实现代价达到最优。

所述正整数n可取128或256；m可取128或256；s和t为正整数；加密轮数r可取48、64或80。

步骤1.2具体操作为：若n＝128，m＝128；或者n＝256，m＝256，则将主密钥k分为4个w比特的字k₀,k₁,k₂,k₃作为前4个轮密钥，第i+4个轮密钥k_i+4由其前面四个子密钥k_i,k_i+1,k_i+2,k_i+3决定，取q为w比特全1字符块，将子密钥k_i和k_i+1分别与q异或，得到的两个字再进行异或，然后再与k_i+2进行按位与操作，得到的结果再与k_i+3进行按位与操作，最后再与i进行异或操作，得到中间变量h_i+4；将h_i+4分别循环左移两个选定的a比特、b比特(比如a＝7、b＝25)，得到两个字，将这两个字进行异或操作，得到的结果再与h_i+4进行异或操作就得到第i+4个子密钥k_i+4。i从0取到2r-5。若n＝128，m＝256，则将主密钥k分为8个32比特的字k₀,k₁,…,k₇，第i+8个子密钥k_i+8由其前面四个子密钥k_i,k_i+1,k_i+2,k_i+3决定，取q为32比特全1字符块，将子密钥k_i和k_i+1分别与q异或，得到的两个字再进行异或，然后再与k_i+2进行按位与操作，得到的结果再与k_i+3进行按位与操作，最后再与i进行异或操作，得到中间变量h_i+8；将h_i+8分别循环左移两个选定的a、b比特(比如a＝7、b＝25)，得到两个字，将这两个字进行异或操作，得到的结果再与h_i+8进行异或操作就得到第i+8个子密钥k_i+8。i从0取到2r-9。

步骤1.5中轮函数F的具体实现如下：F的输出为一个w比特的字，输入为两个w比特的字。首先将输入的两个字进行异或得到中间变量u；对u进行列变换得到中间变量v，具体过程为取一个4进4出的S盒变换，则v[j,j+w/4,j+w/2,j+3w/4]的值为S(u[j,j+w/4,j+w/2,j+3w/4])，这里v[j,j+w/4,j+w/2,j+3w/4]代表v的第j,j+w/4,j+w/2,j+3w/4比特组成的一个4比特的字，u[j,j+w/4,j+w/2,j+3w/4]代表u的第j,j+w/4,j+w/2,j+3w/4比特组成的一个4比特的字；对中间变量v进行行变换得到F的输出值z，具体过程为对v分别循环左移s,t比特，将得到的两个结果进行异或，再与v异或得到F的输出值z。j取遍0,1,…,w/4-1。

步骤1.5中加密过程为：将n比特明文P分成4个长度为w比特的字a₀,b₀,c₀,d₀，并记第i轮的中间状态为a_i,b_i,c_i,d_i，则将a_i,k_2i作为F的输入，得到F的输出值，再与b_i异或得到a_i+1；将a_i+1与d_i异或得到c_i+1；将d_i,k_2i+1作为F的输入，得到F的输出值，再与c_i异或得到d_i+1；将d_i+1与a_i异或得到b_i+1，如此进行r-1轮基于四路两重Feistel结构轮函数更新，得到中间状态a_r-1,b_r-1,c_r-1,d_r-1；然后将a_r-1,k_2r-2作为F的输入，得到F的输出值，再与b_r-1异或得到密文的第2个w比特，将b_r与d_r-1异或得到密文的第4个w比特，将d_r-1,k_2r-2作为F的输入，得到F的输出值，再与c_r-1异或得到密文的第3个w比特，将c_r与a_r-1异或得到密文的第1个w比特，最后输出密文。此处基于四路两重Feistel结构，为公知方法。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明使用了Bit-Slice技术，该技术是实现分组密码的一种有效手段。通常做法是进行S盒变换后再进行行变换，这种做法已经被证明了具有良好的安全性。

本发明通过选取合适的S盒进行变化并进行循环移位s、t比特，只需要进行S盒变换以及循环移位相加，就能达到之前需要进行行变换的效果(从而与通常做法有相同的安全性)，在保证行之间混淆程度的情况下，使得密码实现的开销达到最优。

附图说明

图1为本发明的FBC算法结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的分组密码算法进行进一步描述。

本发明的分组加密算法FBC，其以英文Feistel-based Block Cipher的首字母命名。如图1所示，该算法基于两重Feistel结构设计，支持128比特和256比特明文分组，以及128比特和256比特的主密钥，主要包含三个版本：FBC128-128,FBC128-256,FBC256-256。

本规范主要使用下面的一些符号：

P n比特明文

C n比特密文

k m比特主密钥

k_i 第i个轮密钥字，i＝0,1,…,2r+1

a_i,b_i,c_i,d_i 第i轮迭代的状态字，每个字的长度为w比特,i＝0,1,2,…,r+1

u,v 长度为w比特的字

u_i,v_i 字u和v的第i个长度为w/4比特的子块，i＝1,2,3,4

u_i[j],v_i[j] 子块u_i和v_i的第j比特，j＝0,1,2,…,w/4-1

q 长度为w比特的全1字符块

和运算符：

面向比特的异或运算

& 面向比特的与运算

<<< w比特的字左循环移位运算

‖ 字符串连接符

算法不同版本以格式FBCn-m统一进行命名，其中n为明文分组比特长度，m为主密钥比特长度。不同版本的状态均由4个w比特的字组成。字长w与明文分组长度n的关系满足w＝n/4。设r为迭代轮数。后续给出了对于步骤1.1，步骤1.2，步骤1.3FBC算法主要参数。

表1为算法主要参数取值

版本	分组长度n	主密钥长度m	字宽度w	迭代轮数r
					FBC128-128	128	128	32	48
FBC128-256	128	256	32	64
					FBC256-256	256	256	64	80

表2为L线性变换中循环参数s,t取值

w	32	64
			s	11	19
t	17	33

对于步骤1.2，FBC的密钥扩展算法如下：

针对FBC128-128和FBC256-256，将m比特主密钥k分成4个w比特的字k₀,k₁,k₂,k₃，对i＝0,1,…,2r-5，计算

针对FBC128-256，将256比特主密钥k分成8个32比特的字k₀,k₁,k₂,…,k₇，对i＝0,1,…,2r-9，计算

对于步骤1.4，该密码算法的轮函数F定义如下：

轮函数F的输入包含2个w比特的字x和y，输出一个w比特的字z，记z＝F(x,y)。具体运算过程如下：

1)子密钥加：

2)列变换：将u二进制表示分解成4个等宽的字符串，每个字符串包含w/4个比特，即u＝u₁‖u₂‖u₃‖u₄，令：

v₁[j]‖v₂[j]‖v₃[j]‖v₄[j]＝S(u₁[j]‖u₂[j]‖u₃[j]‖u₄[j]),j＝0,1,…,w/4-1

这里S为4进4出的S盒变换，见表3。记v＝v₁‖v₂‖v₃‖v₄。

表3为S盒真值表

0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
																5	10	15	4	9	14	11	8	2	7	12	13	3	6	1	0

3)行变换：

在行变换L_s,t中参数s,t取值与w有关，见上表2。

对于步骤1.5，加密过程如下：

1)首先根据步骤1.2密钥扩展算法将主密钥k扩展成子密钥序列k_i，i＝0,1,…,2r-1。

2)将输入明文块P分成4个长度为w比特的子块，即P＝a₀‖b₀‖c₀‖d₀。重复执行下列操作r-1次(RoundFunc)：

a)

b)

c)

d)

3)然后执行下列操作1次(FinalRoundFunc)(不交换顺序)：

a)

b)

c)

d)

最后令输出密文块C＝a_r+1‖b_r+1‖c_r+1‖d_r+1。

解密过程如下：

1)首先根据密钥扩展算法将主密钥k扩展成子密钥序列k_i，i＝0,1,…,2r-1。

2)将输入密文块C分成4个长度为w比特的子块，即C＝a₀‖b₀‖c₀‖d₀。首先执行下列操作1次：

a)

b)

c)

d)

3)然后对i＝1,2,…,r，重复执行下列操作r-1次：

a)

b)

c)

d)

最后令输出明文块P＝a_r+1‖b_r+1‖c_r+1‖d_r+1。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (9)

1.一种分组密码FBC的加密方法，其步骤包括：

1)将明文数据分成多个明文数据组，其中每一明文数据组为n比特明文数据；

2)设置主密钥k，其长度为m比特，根据主密钥k生成分组密码FBC的轮密钥；其中，m＝Nn，N为自然数；设置循环左移位的比特位数s和t；设置一轮函数F以及轮数r；

3)对每一明文数据组P，首先将明文数据组P分成4个长度为w比特的字a₀,b₀,c₀,d₀，对a₀,b₀,c₀,d₀进行第i轮加密后的中间状态记为a_i,b_i,c_i,d_i；然后进行r-1轮基于四路两重Feistel结构轮函数更新，得到中间状态a_r-1,b_r-1,c_r-1,d_r-1；其中，每一轮更新方法为：将a_i,k_2i作为轮函数F的输入，将得到的轮函数F的输出值与b_i异或得到a_i+1，将a_i+1与d_i异或得到c_i+1；将d_i,k_2i+1作为F的输入，将得到的轮函数F的输出值与c_i异或得到d_i+1，将d_i+1与a_i异或得到b_i+1；k_2i为第2i个轮密钥；然后将a_r-1,k_2r-2作为F的输入，将F的输出值与b_r-1异或得到密文的第2个w比特，将b_r与d_r-1异或得到密文的第4个w比特，将d_r-1,k_2r-2作为F的输入，将得到的F的输出值与cr_-1异或得到密文的第3个w比特，将c_r与a_r-1异或得到密文的第1个w比特，最后输出密文C。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，若m＝n，生成所述轮密钥的方法为：则将主密钥k分为4个w比特的字k₀，k₁，k₂，k₃作为前4个轮密钥，i从0取到2r-5，生成后续轮密钥k_i+4的方法为：

211)取q为w比特全1字符块，将轮密钥k_i和k_i+1分别与q异或操作，并将得到的两个字再进行异或操作；

212)将步骤211)最终得到的异或结果与k_i+2进行按位与操作，并将得到的结果再与k_i+3进行按位与操作，最后再与i进行异或操作，得到中间变量h_i+4；

213)将h_i+4循环左移a比特、将h_i+4循环左移b比特，得到两个字，将这两个字进行异或操作结果与h_i+4进行异或操作，得到第i+4个轮密钥k_i+4。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，若m＝2n，生成所述轮密钥的方法为：则将主密钥k分为8个32比特的字k₀,k₁,…，k₇，i从0取到2r-9，生成后续轮密钥k_i+8的方法为：

221)取q为32比特全1字符块，将轮密钥k_i和k_i+1分别与q异或操作，并将得到的两个字再进行异或操作；

222)将步骤221)最终得到的异或结果与k_i+2进行按位与操作，并将得到的结果再与k_i+3进行按位与操作，最后再与i进行异或操作，得到中间变量h_i+8；

223)将h_i+8循环左移a比特、将h_i+8循环左移b比特，得到两个字，将这两个字进行异或操作结果与h_i+8进行异或操作，得到第i+8个轮密钥k_i+8。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述轮函数F的输入为两个w比特的字、输出为一个w比特的字；所述轮函数F首先将输入的两个w比特的字进行异或得到中间变量u；然后对u进行列变换得到中间变量v，对中间变量v进行行变换得到轮函数F的输出值z。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，利用一个4进4出的S盒变换对u进行列变换得到中间变量v，v[j，j+w/4,j+w/2，j+3w/4]的值为S(u[j，j+w/4,j+w/2,j+3w/4])；其中，v[j,j+w/4,j+w/2,j+3w/4]代表v的第j,j+w/4,j+w/2,j+3w/4比特组成的一个4比特的字，u[j,j+w/4,j+w/2,j+3w/4]代表u的第j,j+w/4,j+w/2,j+3w/4比特组成的一个4比特的字；j取遍0,1,…,w/4-1。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，对v分别循环左移s比特、t比特，将得到的两个结果进行异或，再与v异或得到轮函数F的输出值z。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述正整数n取值为128或256；m取值为128或256；s和t为正整数；加密轮数r取值为48、64或80。

8.一种对权利要求1所述加密方法所得密文C的解密方法，其步骤包括：

1)将主密钥k扩展成轮密钥序列；k_i为轮密钥序列中第i个轮密钥，i＝0,1,…,2r-1；

2)将密文C分成4个长度为w比特的子块，即C＝a₀‖b₀‖c₀‖d₀；然后执行下列操作1次：

3)对i＝1,2,…,r，重复执行a)～d)r-1次：a)

b)

c)

然后输出明文P＝a_r+1‖b_r+1‖c_r+1‖d_r+1。

9.一种分组密码FBC的实现装置，其特征在于，包括两轮函数计算单元；明文数据组P分成4个长度为w比特的字a₀,b₀,c₀,d₀，对a₀,b₀,c₀,d₀进行第i轮加密后的中间状态记为a_i,b_i,c_i,s_i，第i+1轮的中间状态为a_i+1,b_i+1,c_i+1,d_i+1；其中，

第一轮函数计算单元的两输入端分别与a_i输入端、k_2i输入端连接，第一轮函数计算单元的输出端、b_i输入端分别与第一异或单元的两输入端连接；第一异或单元的输出值作为a_i+1；k_2i为根据主密钥k生成分组密码FBC的第2i个轮密钥；

第二轮函数计算单元的两输入端分别与d_i输入端、k_2i+1输入端连接，第二轮函数计算单元的输出端、c_i输入端分别与第二异或单元的两输入端连接；第二异或单元的输出值作为d_i+1；

第二异或单元的输出端、a_i输入端分别与第三异或单元的两输入端连接，第三异或单元的输出值作为b_i+1；

第一异或单元的输出端、d_i输入端分别与第四异或单元的两输入端连接，第四异或单元的输出值作为c_i+1。

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