密码学学习笔记(二)——对称密码算法(轻量级密码算法Twine)

如图,对称加密算法是应用较早的加密算法,技术成熟。在对称加密算法中,数据发信方将明文和加密密钥一起经过特殊加密算法处理后,使其变成复杂的加密密文发送出去。收信方收到密文后,若想解读原文,则需要使用加密用过的密钥及相同算法的逆算法对密文进行解密,才能使其恢复成可读明文。具有算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高等特点。密码学学习笔记(二)——对称密码算法(轻量级密码算法Twine)

1. 分组密码(Twine)

Twine是由Tomoyasu Suzaki,Kazuhiko Minematsu, Sumio Morioka和Eita Kobayashi在2011年的ECRYPT轻量级密码会议上首次提出的,并发表在2012年的SAC会议上。它的分组长度是64比特,密钥长度有80比特和128比特两个版本,其采用广义的Feistel结构(Generalized Feistel Structure,简称GFS),并由36轮轮函数构成,这里我们重点介绍80位的算法。

1.1 加解密方式

1.1.1 加密

Twine-80的加密算法如下所示:
密码学学习笔记(二)——对称密码算法(轻量级密码算法Twine)
该算法采用的是广义的Feistel结构,具体结构如下图所示:
密码学学习笔记(二)——对称密码算法(轻量级密码算法Twine)
我们可以看出,此算法在Feistel结构的基础上改造了位置交换的方法,我们称之为π置换(π-1置换用于解密):
密码学学习笔记(二)——对称密码算法(轻量级密码算法Twine)
Feistel结构中S盒如下表:密码学学习笔记(二)——对称密码算法(轻量级密码算法Twine)

void Feistel(int r,int k) { 	int i; 	char a; 	if(k == 1) 	{ 		if(r != 35) 			for(i = 0;i < 16;i += 2) 			{ 				OutPut[PI[i]] = InPut[i]; 				a = S[InPut[i] ^ R_Key[r][i / 2]]; 				OutPut[PI[i + 1]] = InPut[i + 1] ^ a; 			} 		else 			for(i = 0;i < 16;i += 2) 			{ 				OutPut[i] = InPut[i]; 				a = S[InPut[i] ^ R_Key[r][i / 2]]; 				OutPut[i + 1] = InPut[i + 1] ^ a; 			} 	} 	else 	{ 		if(r != 35) 			for(i = 0;i < 16;i += 2) 			{ 				OutPut[Pi[i]] = InPut[i]; 				a = S[InPut[i] ^ R_Key[35 - r][i / 2]]; 				OutPut[Pi[i + 1]] = InPut[i + 1] ^ a; 			} 		else 			for(i = 0;i < 16;i += 2) 			{ 				OutPut[i] = InPut[i]; 				a = S[InPut[i] ^ R_Key[35 - r][i / 2]]; 				OutPut[i + 1] = InPut[i + 1] ^ a; 			} 	} } 

1.1.2 密钥生成算法

Twine-80的密钥生成算法如下所示:
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方便起见,我们将算法用图画出:
密码学学习笔记(二)——对称密码算法(轻量级密码算法Twine)
其中轮常数Con如下:密码学学习笔记(二)——对称密码算法(轻量级密码算法Twine)

void MakeRKey() { 	int i,j,k; 	int choose[8] = {1,3,4,6,13,14,15,16}; 	char ch,ConH,ConL; 	char key[20] = {0}; 	for(i = 0;i < 10;i++) 	{ 		ch = fgetc(KEY); 		for(j = (2 * i) + 1;j >= 2 * i;j--) 		{ 			key[j] = ch & 0x0F; 			ch = ch >> 4; 		} 	} 	for(i = 0;i < 36;i++) 	{ 		for(j = 0;j < 8;j++) 			R_Key[i][j] = key[j]; 		if(i < 35) 		{ 			key[1] = key[1] ^ S[key[0]]; 			key[4] = key[4] ^ S[key[16]]; 			ConL = CON[i] & 0x07; 			ConH = CON[i] >> 3; 			ConH = ConH & 0x07; 			key[7] = key[7] ^ ConH; 			key[19] = key[19] ^ ConL; 			ch = key[0]; 			for(j = 0;j < 19;j++) 				key[j] = key[j + 1]; 			key[j] = ch; 			for(k = 0;k < 3;k++) 			{ 				ch = key[0]; 				for(j = 0;j < 18;j++) 					key[j] = key[j + 1]; 				key[j] = ch; 			} 		} 	} } 

1.1.3 解密

由于轮函数的等价结构,解密算法与加密算法除π置换与轮密钥的注入顺序不同外,其余均相似。

1.1.4 全部代码

代码作用是将plaintext0.txt中的数据加密为ciphertext.txt,然后再解密为plaintext.txt:

#include<stdio.h> #include<stdlib.h> #include<string.h>  FILE *KEY; int flag; int PI[16] = {5,0,1,4,7,12,3,8,13,6,9,2,15,10,11,14}; int Pi[16] = {1,2,11,6,3,0,9,4,7,10,13,14,5,8,15,12}; char S[16] = {0x0c,0x00,0x0f,0x0a,0x02,0x0b,0x09,0x05, 			  0x08,0x03,0x0d,0x07,0x01,0x0e,0x06,0x04}; char CON[35] = {0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x03, 				0x06,0x0c,0x18,0x30,0x23,0x05,0x0a, 				0x14,0x28,0x13,0x26,0x0f,0x1e,0x3c, 				0x3b,0x35,0x29,0x11,0x22,0x07,0x0e, 				0x1c,0x38,0x33,0x25,0x09,0x12,0x24}; char InPut[16] = {0},OutPut[16] = {0}; char R_Key[36][8] = {0}; char plain[16] = {0},cipher[16] = {0};  void Read(FILE *OUT,int k) { 	int i,j; 	char ch; 	for(i = 0;i < 8;i++) 	{ 		ch = fgetc(OUT); 		if(ch == -1) 		{ 			ch = 0; 			flag = 0; 			if(i == 0) 			{ 				flag = -1; 				return; 			} 		} 		for(j = (2 * i) + 1;j >= 2 * i;j--) 		{ 			if(k == 1) 				plain[j] = ch & 0x0F; 			else 				cipher[j] = ch & 0x0F; 			ch = ch >> 4; 		} 	} }  void Write(FILE *IN,int k) { 	int i,j; 	char ch; 	for(i = 0;i < 8;i++) 	{ 		ch = 0x00; 		for(j = 2 * i;j <= (2 * i) + 1;j++) 		{ 			ch = ch << 4; 			if(k == 1) 				ch =  ch | cipher[j]; 			else 				ch =  ch | plain[j]; 		} 		fputc(ch,IN); 	} }  void MakeRKey() { 	int i,j,k; 	int choose[8] = {1,3,4,6,13,14,15,16}; 	char ch,ConH,ConL; 	char key[20] = {0}; 	for(i = 0;i < 10;i++) 	{ 		ch = fgetc(KEY); 		for(j = (2 * i) + 1;j >= 2 * i;j--) 		{ 			key[j] = ch & 0x0F; 			ch = ch >> 4; 		} 	} 	for(i = 0;i < 36;i++) 	{ 		for(j = 0;j < 8;j++) 			R_Key[i][j] = key[j]; 		if(i < 35) 		{ 			key[1] = key[1] ^ S[key[0]]; 			key[4] = key[4] ^ S[key[16]]; 			ConL = CON[i] & 0x07; 			ConH = CON[i] >> 3; 			ConH = ConH & 0x07; 			key[7] = key[7] ^ ConH; 			key[19] = key[19] ^ ConL; 			ch = key[0]; 			for(j = 0;j < 19;j++) 				key[j] = key[j + 1]; 			key[j] = ch; 			for(k = 0;k < 3;k++) 			{ 				ch = key[0]; 				for(j = 0;j < 18;j++) 					key[j] = key[j + 1]; 				key[j] = ch; 			} 		} 	} }  void Feistel(int r,int k) { 	int i; 	char a; 	if(k == 1) 	{ 		if(r != 35) 			for(i = 0;i < 16;i += 2) 			{ 				OutPut[PI[i]] = InPut[i]; 				a = S[InPut[i] ^ R_Key[r][i / 2]]; 				OutPut[PI[i + 1]] = InPut[i + 1] ^ a; 			} 		else 			for(i = 0;i < 16;i += 2) 			{ 				OutPut[i] = InPut[i]; 				a = S[InPut[i] ^ R_Key[r][i / 2]]; 				OutPut[i + 1] = InPut[i + 1] ^ a; 			} 	} 	else 	{ 		if(r != 35) 			for(i = 0;i < 16;i += 2) 			{ 				OutPut[Pi[i]] = InPut[i]; 				a = S[InPut[i] ^ R_Key[35 - r][i / 2]]; 				OutPut[Pi[i + 1]] = InPut[i + 1] ^ a; 			} 		else 			for(i = 0;i < 16;i += 2) 			{ 				OutPut[i] = InPut[i]; 				a = S[InPut[i] ^ R_Key[35 - r][i / 2]]; 				OutPut[i + 1] = InPut[i + 1] ^ a; 			} 	} }  int main() { 	int mode,i,r; 	FILE *M,*C; 	if((KEY = fopen("key.txt","rb")) == NULL) 	{ 		printf("nkey.txt Fail,Close!"); 		getchar(); 		exit(1); 	} 	MakeRKey(); 	while(1) 	{ 		flag = 1; 		printf("Plase choose:n1. encrypt n2. decrypt n3. exit n"); 		scanf("%d",&mode); 		if(mode == 1) 		{ 			if((M = fopen("plaintext0.txt","rb")) == NULL) 			{ 				printf("nplaintext.txt Fail,Close!"); 				getchar(); 				exit(1); 			} 			if((C = fopen("ciphertext.txt","wb")) == NULL) 			{ 				printf("nciphertext.txt Fail,Close!"); 				getchar(); 				exit(1); 			} 			while(flag) 			{ 				Read(M,1); 				if(flag == -1) 					break; 				for(i = 0;i < 16;i++) 					InPut[i] = plain[i]; 				for(r = 0;r < 36;r++) 				{ 					Feistel(r,1); 					for(i = 0;i < 16;i++) 						InPut[i] = OutPut[i]; 				} 				for(i = 0;i < 16;i++) 					cipher[i] = OutPut[i]; 				Write(C,1); 			} 			fclose(M); 			fclose(C);  		} 		if(mode == 2) 		{ 			if((C = fopen("ciphertext.txt","rb")) == NULL) 			{ 				printf("nciphertext.txt Fail,Close!"); 				getchar(); 				exit(1); 			} 			if((M = fopen("plaintext.txt","wb")) == NULL) 			{ 				printf("nplaintext.txt Fail,Close!"); 				getchar(); 				exit(1); 			} 			while(flag) 			{ 				Read(C,2); 				if(flag == -1) 					break; 				for(i = 0;i < 16;i++) 					InPut[i] = cipher[i]; 				for(r = 0;r < 36;r++) 				{ 					Feistel(r,2); 					for(i = 0;i < 16;i++) 						InPut[i] = OutPut[i]; 				} 				for(i = 0;i < 16;i++) 					plain[i] = OutPut[i]; 				Write(M,2); 			} 			fclose(M); 			fclose(C);  		} 		if(mode == 3) 		{ 			fclose(KEY); 			exit(0); 		} 		system("pause"); 		system("cls"); 	} 	return 0; } 

1.2. 分组密码的模式

在数组密码中,如何将长的明文数据分成算法要求的长度也是一个问题。为此,人们提出了分组密码的分组模式:

1.2.1 ECB模式

加密:
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1.2.2 CBC模式

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1.2.3 CFB模式

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1.2.4 OFB模式

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1.2.5 CTR模式

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2.序列密码

序列密码也称为流密码(Stream Cipher),它是对称密码算法的一种。序列密码具有实现简单、便于硬件实施、加解密处理速度快、没有或只有有限的错误传播等特点,因此在实际应用中,特别是专用或机密机构中保持着优势,典型的应用领域包括无线通信、外交通信。
1949年Shannon证明了只有一次一密的密码体制是绝对安全的,这给序列密码技术的研究以强大的支持,序列密码方案的发展是模仿一次一密系统的尝试,或者说“一次一密”的密码方案是序列密码的雏形。如果序列密码所使用的是真正随机方式的、与消息流长度相同的密钥流,则此时的序列密码就是一次一密的密码体制。若能以一种方式产生一随机序列(密钥流),这一序列由密钥所确定,则利用这样的序列就可以进行加密,即将密钥、明文表示成连续的符号或二进制,对应地进行加密,加解密时一次处理明文中的一个或几个比特。
在序列密码中,密钥流由密钥流发生器f产生:zi=f(k,si),这里的si是加密器中存储器(记忆元件)在i时刻的状态。根据加密器中的记忆元件si的存贮状态是否依赖于明文字符,序列密码可进一步分成同步和自同步两种。如果si独立于明文字符则称为同步流密码,否则称为自同步流密码。
序列密码算法主要依靠(线性)反馈移位寄存器,这里就不过多说明了。