CN1286855A - 二进制数据块加密变换 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电信和计算机技术领域,具体涉及用于对数字数据进行密写的加密方法和装置。该方法包括:将数据块分成N≥2个子块,通过对第i个子块施加至少一次变换运算,来顺序地变换所述子块,其中i≤N,所述运算取决于第j个子块的值,其中j≤N。该方法的特征在于,所述取决于第j个子块的值的运算是第i个子块的数位转置运算。该方法进一步的特征在于,取决于第j个子块的值的第i个子块的数位转置运算是根据第i个子块变换开始之前的密钥进行的。该方法进一步的特征在于,在取决于第j个子块的第i个子块的当前数位转置运算之前,确定二进制向量V,其中第i个子块中的所述数位转置运算是根据向量V的值进行的。所述二进制向量是根据其在执行所述各子块中的一个子块的先前变换步骤时的值,以及第j个子块的值来确定的。

Description

二进制数据块加密变换

本发明一般涉及电信与计算机技术领域，具体涉及用于对消息(信息)进行密写的加密方法和装置。

在描述本发明所述的方法中用到的术语如下：

-密钥是只有合法用户才知道的二进制信息；

-加密变换是指，例如为了保护信息不被非法读取，生成数字签名，生成修改检测代码，而允许一个源数据位对多个输出数据位有影响作用的数字数据变换；一些重要类型的加密变换有单向变换，哈希和密写处理等。

-信息哈希处理是指某种用于为任意大小的消息形成所谓的具有固定大小(通常为128位)的哈希代码的方法；目前所广泛采用的哈希方法，大多基于采用信息加密变换的分组机制的迭代哈希函数(见Lai X.，Massey J.L的基于分组密码的哈希函数/加密技术理论和应用工作室，EUROCRYPT’92，匈牙利，1992年5月24-28会议记录p.53-66)。

-密写是指根据密钥所进行的信息变换处理，其中将源文本转换为由伪随机字符序列所表示的密文，使得在不知道上述密钥的情况下实际上无法从密文中获得信息；

-解密是指密写过程的逆处理；解密处理将确保在知道密钥的情况下，能够根据密文恢复出其原始信息；

-密写器是指利用密钥对输入数据进行变换的所有基本步骤的总和；密写器可以以计算机程序、或独立装置的形式来实现；

-二进制向量是指某种二进制数位序列，如1011010011；如果假设每个数位的位置对应于一个二进制数位，则二进制向量的特定结构可以被解释为一个二进制数，即二进制向量可以被比作一个由二进制向量结构所唯一确定的数值；

-密码分析是指一种为获得对密写信息的非授权访问权，来计算密钥；或用于开发在不计算密钥的情况下提供对密写信息的访问权方法的方法；

-单向变换是指其中L位输入数据块被变换为L位输出数据块的变换，其允许很容易地根据输入数据块计算出输出数据块，相反却几乎无法计算出被变换为随机选择的输出数据块的输入数据块；

-单向函数是指可以根据所给定的自变量，很容易地计算出函数值，但根据给定的函数值计算其自变量值，却是计算困难问题的函数；单向函数通常由针对某个输入块(自变量)所进行的单向变换序列来实现，其输出值即为函数值；

-抗解密性是指密写信息保护安全性的一种测度，其代表了以在已知变换算法但不知道密钥的情况下，为了根据密文恢复原始信息，所需执行的基本运算的数目测算的劳动强度；对于单向变换，抗解密性意味着根据其输出值计算输入块值的复杂性；

-取决于被变换子块或二进制向量的循环移位运算，是在由子块值或二进制向量值所设定的多个数位上进行的循环移位运算；向左(右)的循环移位运算由符号“＜＜＜”(“＞＞＞”)表示，例如，记号B₁＜＜＜B₂表示将子块B₁向左循环移位，其移位个数等于二进制向量B₂的值；RC5密写器所基于的便是此类运算；

-单址运算是指对一个运算数(数据块或二进制向量)所进行的运算；执行完某种给定单址运算后的子块值只取决于其初始值；单址运算的例子有加法，减法，乘法等等；

关于数据块加密的方法，请参阅，例如，美国标准DES(国家标准局，数据加密标准，联邦信息处理标准出版物46，1977年1月)。上述数据块加密方法包括如下步骤：生成密钥；将所要转换的数据块分成两个子块L和R，并通过对子块L与根据子块R的值所生成的作为某个函数F的输出值的二进制向量，进行位对位模2求和运算，来交替地改变后者。随后将两个子块互换。此方法中的函数F是通过对子块R进行转置和填充运算来实现的。当以专用电子电路的形式来实现时，此方法具有较高的变换速率。

然而，已知的最新现有技术采用的是位长较小(56位)的密钥，因此其很容易通过找出匹配的密钥来进行密码分析。这与目前大众化电脑的计算能力越来越高有直接关系。

与本发明的二进制数据块加密变换方法的技术本质最为接近的方法是，以密写器RC5形式实现的，并在(R.Rivest，RC5加密算法/快速软件加密，第二国际工作室会议记录(Leuven，比利时，1994年12月14-16日)，计算机科学讲座记录v1008，Springer-Verlag，1995，pp.86-96)中进行说明的方法。上述最新现有技术方法包括如下步骤：生成一个形式为多个子密钥的密钥；将输入数据块分成子块A和B，并交替地进行子块变换。随后通过对其进行单址和双址运算来对子块进行变换。作为双址运算，其中所用的是模2ⁿ加法运算，其中n=8，16，32和64，以及模2位对位加和运算。作为单址运算，所用的是向左循环移位运算，其中所变换子块所移动的位数取决于另一个子块的值，由此决定了在当前子块变换步骤，循环移位运算对输入数据块的初始值具有依赖性。对一个子块和子密钥，以及两个子块进行双址运算。最新现有技术方法的特征在于，根据其中一个子块的值来对另一个子块进行循环移位运算。

对某个子块，例如子块B，进行如下变换。对子块A和B进行模2位对位加和运算(“”)，并将此运算所得数值赋值给子块B。其关系可写为：

          B←BA

其中符号“←”表示赋值运算。此后，对子块B进行其位数等于子块A的值的循环移位运算。

          B←B＜＜＜A

随后，将对该子块和其中一个子密钥S进行模2ⁿ加和运算：B←(B+S)mod2ⁿ，其中n为子块的位长。其后，对子块A进行类似地变换。并对两个子块进行许多次这种变换步骤。

当以计算机程序的形式、或以电子密写装置的形式来实现时，本方法可以提供较高的加密速率。然而，上述最新现有技术具有如下一些缺点：即，其无法确保加密数据变换对微分和线性密码分析(KalisiB.S.，Yin Y.L.的RC5加密算法的微分和线性密码分析，Cryptology-CRYPTO’95会议记录，Spring-Verlag，1955，pp.171-184)具有较高的抗解密性。此缺点的原因在于，为了提高对现有密码分析方法的抗解密性，由于循环移位运算所可能具有的可实现形式的数目，等于子块二进制数位的数目n，而不会超过64，使得取决于所被变换数据的运算的利用效率被降低了。

本发明的目的是为了开发一种用于二进制数据块加密变换的方法，其中以能够增大取决于所被变换数据块的各种运算形式的数目的方式来实现输入数据变换，并由此而提高对微分和线性密码分析的抗解密性。

本发明的目的是通过如下的二进制数据块加密变换方法来实现的，其包括如下步骤：将数据块分成N≥2个子块；通过对第i个(其中i≤N)子块进行至少一次变换运算，来交替地变换各个子块，所述运算取决于第j个(j≤N)子块的值，而本发明的新颖特征在于，作为取决于第j个子块值的运算，其所采用的是第i个子块的数位转置运算。

由于采用上述解决方案，其将增大取决于第j个子块值的运算所可能具有形式的数目，由此而使其能够提高加密变换对微分和线性密码分析的抗解密性。

本发明的新颖特征还在于，取决于第j个子块值的第i个子块的数位转置运算，是根据第i个子块变换开始之前的密钥来形成的。

由于采用上述解决方案，取决于第j个子块值的第i个子块的数位转置运算的变型并不是预先设定好的，由此使其能够进一步增强对微分和线性密码分析的抗解密性，同时其还允许减少所需变换运算的数目，而提高加密速率。

本发明还有一个新颖特征在于，在进行取决于第j个子块的第i个子块的当前数位转置运算之前，其另外还产生有一个二进制向量V，并根据V的值来执行第i个子块的数位转置运算，其中上述二进制向量是根据其在对某个子块执行前一次变换步骤时的数值，以及第j个子块的数值来生成的。

因此，本发明可以进一步提高密写装置对由于非法攻击所引起的“崩溃”的抗解密性。

接下来将参照附图以实施例的方式来对本发明的基本原理进行详细地说明。

其中：

图1所示为根据本发明方法的加密变换的总体示意图；

图2所示为受控转置数据块的结构示意简图；

图3所示为具有32位信息输入的受控转置数据块的结构示意图；

图4所示为基本开关的方框图；

图5所示为当控制信号为u=1时，基本开关的输入和输出信号表；

图6所示为当控制信号为u=0时，受控基本开关的输入和输出信号表。

接下来将对图1所示的，基于本发明方法的数据块变换的总体示意图进行说明。

其中：P为受控转置数据块；A和B为被变换n位子块；K_4r，K_4r-1，K_4r-2，K_4r-3是n位密钥元素(n位子密钥)；V为根据输入数据所生成的二进制向量；表示模2位对位加和运算；表示模n加和运算，其中n为数据子块位长。粗实线表示n位信号传输总线，细实线表示单个数位的传输，细虚线表示单个控制数位的传输。粗虚线表示n位控制信号传输总线，其中n位控制信号是子密钥数位或二进制向量数位。将上述子密钥数位用作控制信号，可以确保根据输入数据块的值，形成子块位转置运算的特定变型，由此可以进一步提高加密变换的抗解密性。

图1所示为变换的一个轮次。根据受控转置数据块的特定实现形式以及所需的变换速率，其可以设置从2到16和更多的轮次。其可以将此种机制的加密变换程序用于加密和单向变换。在后一种情况中，并未使用密钥，取而代之所用的是子密钥信号，数据块P的控制输入与根据在中间步骤所变换子块的数值所生成的二进制向量V的信号一起馈入。在进行密写时，每个加密轮次中，可以使用相同的4个n位子密钥K₄，K₃，K₂，K₁。在此情况下，当子块的典型大小n=32时，密钥的长度将为128位。当采用较大位长的密钥时，每个轮次可以使用K_4r，K_4r-1，K_4r-2和K_4r-3。例如，当轮次总数r=3时，第一轮次使用子密钥K₄，K₃，K₂和K₁，第二轮次使用子密钥K₈，K₇，K₆和K₅，而第三轮次则使用子密钥K₁₂，K₁₁，K₁₀和K₉。

接下来将根据本发明的特定实施例，对技术上实施本发明方法的可能性进行详细地说明。实例1

此例涉及数据加密方法的用法。其中密钥被表示为4个子密钥K_4r，K_4r-1，K_4r-2和K_4r-3的形式。一个加密轮次如下面的程序序列所述：

1．根据如下的表达式对子块A进行变换：

            A←AK_4r-3

其中“←”表示赋值运算。

2．根据如下的表达式对子块B进行变换：

            B←BK_4r-2

3．根据子块A的值和子密钥K_4r-1，实现子块B的数位转置。

4．根据如下的表达式对子块A进行变换：

            A←AB

5．根据子块B的值和子密钥K_4r，实现子块A的数位转置。

6．根据如下的表达式对子块B进行变换：

            B←BA实例2

此例所述为根据如下程序序列的一个轮次的单向变换：

1．生成二进制向量V：

            V←A＜＜＜B

2．根据如下的表达式对子块B进行变换：

            B←BV

3．根据如下公式，生成取决于其在前一步骤的值，以及子块A和B的值的二进制向量V：

           V←(V＜＜＜A)(B＜＜＜13)

4．根据如下的表达式对子块A进行变换：

           A←AV5．根据A和V的值，实现子块B的数位转置。6．根据如下的表达式对子块A进行变换：

          A←AB7．生成二进制向量V：

          V←(V＜＜＜B)(A＜＜＜11)8．根据B和V的值，实现子块A的数位转置。9．根据如下的表达式对子块B进行变换：

          B←BA

图2所示为采用了多个基本开关S的受控转置数据块的可能实施例。此实施例对应于具有，由类似于图1所示虚线所表示的，用于数据信号的8位输入和用于控制信号的8位输入的数据块P。

转置运算的各种形式的数目等于控制输入的可能代码组合的数目，对于具有图2所示结构的数据块P，其大小为2⁸=256，超过了最新现有技术方法中所用循环移位运算的数目。利用类似的方法，其可以设计出适用于具有任意大小数据输入和控制信号输入，特别是具有32位数据输入和32位控制信号输入的数据块P的机制。在后一种情况中，其可以实现总数等于2³²＞10⁹种不同形式的转置运算。

图3所示为具有32位数据输入和79位控制输入的受控转置数据块的结构示意图。此受控转置数据块，对于控制输入代码组合的每种可能值(其总数为2⁷⁹)，实现了一种唯一的输入二进制数位转置形式。受控转置数据块的外部信息输入由i1，i2，…，i32表示，外部输出由o1，o2，…，o32表示，而控制输入则由c1，c2，…，c79表示。各基本开关S以能够构成一个行数为31的矩阵的形式连接在一起。第一行中，连接有31个基本开关，而第二行中，则只有30个，类似地，第三行中只有29个，如此类推。在接下来的每一行中，基本开关的总数逐行减1。在最后一行-第31行中，则只连接有一个基本开关。

行号j≠31的各行分别具有33-j个输入，33-j个输出和32-j个控制输入。第j行的最后一个(最右侧的)输出是该受控转置数据块的一个外部输出，而第j行其余32-j个输出则与第(j+1)行的对应输入相连。第31行具有两个输出，而这两个输出均是该受控转置数据块的外部输出。对于每一行，只有不多于一个的控制输入上加载有单位(u=1)控制信号。为满足上述要求，其采用的是二进制32阶解密器F₁，F₂，…，F₁₅和二进制16阶解密器F₁₆。解密器F₁，F₂，…，F₁₅具有5个其上分别加载有一个任意5位二进制代码的外部控制输入，和32个输出。上述解密器只在一个输出上产生单位信号。而其余31个输入上的信号则均被设置为零信号。解密器F₁₆具有4个其上加载有一个任意4位二进制代码的输出，以及16个其中只有一个被设置为单位信号的输出。对于所有的解密器F₁，F₂，…，F₁₅和F₁₆，每个输入二进制代码值均定义了其上设置了单位信号(u=1)的唯一可能的输出数。

解密器Fh输出的一部分，其中h≤15，与第h行的控制输入(32-h个输入)相连，而上述输入的另一部分则与第(32-h)行的控制输入(其余h个解密器输出)相连。每行中，在不多于1个的基本开关上设置u=1的控制信号。而与其上加载有单位控制信号的基本开关的右侧输入相连的行输入，与对应此行的受控转置数据块的外部输出相通。如果将上述单位控制信号馈送给最左侧的基本开关，则上述受控转置数据块(数据块P)的外部输出将与最左侧行输入相通。第一行将数据块P的外部输入i1，i2，…，i32中的一个与外部输出o1相通，而其余31个外部输入则与第二行的输入相通。第二行将其余31个外部输入中的一个与外部输入o2相连，而其余30个外部输入则与第三行的输入相通，如此类推。数据块P的此种结构，可以使其对于加载到数据块P的79位控制输入上的二进制代码的每个值，实现唯一形式的输入数位转置运算。

例如，其可能以下述形式在图1所示的加密变换机制中采用79位控制输入。其中将，例如，子块B的32个数位，以及密钥的47个数位用作控制信号。作为后一种情况，例如，其也可以采用子密钥K_4r-1的32个数位和子密钥K_4r-2的15个数位。在此情况下，当其将密钥输入到加密装置中时，根据该密钥的上述47个数位，其将根据输入数据块的值，产生2⁴⁷种不同变型形式的数位转置运算中的一种。其中此运算的每种变型形式包括，其选择由子块B的值而定的，2³²种不同形式的用于对子块A的数位进行转置的运算。变型选择并不是预先设定的，而是通过密钥来确定的。这样作进一步提高了加密变换的抵抗性。如果密写装置采用4个具有图3所示结构的数据块P，则根据上述密钥，对数据块P所可能进行的转置运算各种变型的可能组合的数目，在使用位长不小于188位的密钥时，最多可设置达到(2⁴⁷)⁴=2¹⁸⁸种。

图4所示为基本开关的操作原理示意图，其中u为控制信号，a和b为输入数据信号，而c和d分别为输出数据信号。

表5和6所示为输出信号与输入信号和控制信号之间的关系表。从上述两表中很明显可以看出，当u=1时，a行与c行相通，而b行则与d行相通。当u=0时，a行与d行相通，而b行与c行相通。

由于结构较为简单，利用制造集成电路所用的现代平板技术，可以很容易地生产出包含有多个具有32和64位输入大小的受控转置数据块的加密微处理器。

上述各实例表明，本发明所提出的二进制数据块加密变换方法在技术上是可行的，同时其能够解决现有技术的上述问题。

本发明的方法可以，例如，以可提供数量级为1Gbit/s(完全可以满足对通过高速光纤通信信道传送的实时数据进行加密的要求)的加密速率的专用加密微处理器来实现。

Claims (3)

1．一种用于对二进制数据块进行加密变换的方法，其中包括如下步骤：将所述数据块分成N≥2个子块；通过根据第j个子块的值对第i个(其中：i≤N)子块进行至少一次变换运算，来交替地对所述数据块进行变换；该方法特征在于所述根据第j个(其中j≤N)子块数值的运算所采用的是第i个子块的数位转置运算。

2．如权利要求1所述的方法，其特征在于所述根据第j个子块值的所述第i个子块的所述数位转置运算，是根据开始进行第i个子块变换之前的密钥来生成的。

3．如权利要求1所述的方法，其特征在于在进行所述第i个子块的根据第i个子块的值的当前数位转置运算之前，另外产生有一个二进制向量V，根据V的值，来执行所述第i个子块的所述数位转置运算，其中所述二进制向量是根据其在执行所述各子块中一个子块的先前变换步骤时的值，以及第j个子块的值来生成的。

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