CN111431697B - 一种新型轻量级分组密码corl的实现方法 - Google Patents

Abstract

本算法公开了一种新型轻量级分组密码CORL的实现方法，该方法通过设计新型广义Feistel网络结构，该结构算法优化了传统Feistel网络结构的一轮迭代运算只改变一半数据分组数据的不足，做到一轮迭代改变四分之三分组数据。算法轮函数包含一个F函数，F函数的变换过程依次为行移位、轮密钥加、S盒替换、行移位、列混淆。算法结构便于软硬件实现，算法解密基本复用加密模块，只需添加一些控制信号就可以进行解密，操作简单，实现解密不需消耗较多资源。相对目前的分组密码，占用资源小，加密性能高，能抗已知攻击。

Description

一种新型轻量级分组密码CORL的实现方法

技术领域

本发明设计一种新型轻量级分组密码CORL的实现方法。

背景技术

分组密码算法是用相同的密钥进行加密和解密的算法，本质上，分组密码算法是一种带密钥的有限迭代置换变换，将固定长度的明文经过有限迭代置换变换，转换为相同长度的密文。分组密码算法具有速度快，已于标准化和便于软硬件实现等特点，一直是资源约束下的加密方案。分组密码作为信息安全中的核心密码，在物联网应用安全领域有着广泛的应用。

近年来，随着物联网技术的快速发展，无限传感器(WSN)和无线射频(RFID)应用越来越广泛，这些设备具有硬件制造、维护成本低，网络稳健性、自组织性强，适用性广泛的特点，已成为物联网产业的关键组成部分。WSN和RFOD基于无线网络传输信息，攻击者更容易获取、干扰甚至破坏信息传输。在这些微型计算设备中，软硬件实现所需资源有着严格的限制，传统分组密码算法实现规模相对较大，不适合应用在这些资源极端受限的应用环境中，因此密码设计者们提出轻量级分组密码来保证物联网信息的安全。

从2007年开始，国际学术界就陆陆续续发表了一些有关轻量级分组密码算法论文，轻量级分组密码迅速成为了国际学术界研究的一个前沿热点问题。经过近年来的研究，目前已有一些轻量级分组密码算法，典型的代表如：PRESENT、MIBS、Twine、Piccolo、LED、LBlock、KLEIN等。

目前，轻量级分组密码算法存在的问题为如下方面：(1)轻量级分组密码算法主要采用两种结构：一种是SP网络结构，该结构对称性相对较差，加解密不相似，实现时消耗的资源较多，加解密的时间也不相同。另一种就是Feistel网络结构，该结构加解密相似，实现时消耗的硬件资源较少，适合在计算能力有限的环境中使用；但该结构密码算法扩散速度慢，一轮迭代运算中只有一半的分组进入轮函数，从而只能改变一半分组数据。(2)有些轻量级分组密码算法解密过程较为复杂，从而在实现算法解密时，不能完全复用加密过程模块，需要额外消耗资源。(3)一些轻量级分组密码算法加密占用资源仍然过大，加密性能较低，不便于在资源极端受限设备中实现；并且还有一些分组密码算法抗攻击能力较弱，特别时抵抗常见的差分、线性以及代数攻击。

发明内容

本发明提供了一种新型轻量级的高效分组密码CORL的实现方法，其目的在于，克服现有技术轻量级分组密码算法存在如下问题：Feistel网络结构算法，扩散能力较弱；算法解密过程较为复杂，实现解密需要额外占用大量资源；轻量级分组密码仍然占用资源过多、加密性能低且容易遭受攻击。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，

一种新型轻量级CORL分组密码加密实现方法，包括以下步骤：将64位待加密数据X从低位到高位按16位一组依次分为4组，记作：X₀X₁X₂X₃,预设80位的初始密钥，每一轮迭代运算从初始密钥中选取两段16位的密钥作为轮密钥并分别记作RK₀、RK₁；

将待加密数据进行N_R轮迭代运算操作，输出密文，其中当前的迭代轮次以n表示，且n的初始值为0，N_R的取值为22；

加密迭代运算包括以下步骤：

步骤1)首先，将X₀进行F函数变换得到X″₀，同时X₃也进行F函数变换得到X″₃；接着，将X″₀与X₁和X₂进行异或运算得到X′₁和X′₂，X″₃与X₀异或运算得到X′₀；其中，X₀所进行的F函数，所使用的轮密钥为RK₀；

X₃所进行的F函数，所使用的轮密钥为RK₁：

判断n是否等于N_R，若不等于，则n+1，进入步骤2),否则进入步骤3)；

步骤2)将X′₀X′₁ X′₂ X₃进行轮置换T变换，获得轮置换T变换结果并记作X^T；

将X^T，从高位开始按16位一组依次分为4组，记作：

将

依次赋给X₀、X₁、X₂、X₃，返回步骤1)；

步骤3)将

依次赋给Y₀、Y₁、Y₂、Y₃，以Y₀Y₁Y₂Y₃作为密文输出。

所述的一种新型轻量级CORL分组密码加密实现方法，选取两段16位的密钥作为轮密钥的步骤为：将预设的80位初始密钥记作K＝{k₀、k₁……k₇₈、k₇₉}，首先将K中的{k₆₄、k₆₅……k₇₈、k₇₉}数据段通过S盒置换进行变化，然后将中的所有数据段向左循环移位9位，最后取{k₄₈、k₄₉……k₆₂、k₆₃}为RK₀，{k₆₄、k₆₅……k₇₈、k₇₉}为RK₁。

所述的一种新型轻量级CORL分组密码加密实现方法，所述加密迭代运算的步骤1)中，F函数变换过程为行移位变换→轮密钥加变换→S盒替换变换→再次行移位变换→列混淆变换；

其中所述行移位为，将每16位数据表示为4×4的矩阵，其中第一行不移动，第二行循环右移1位，第三行循环右移2位，第四行循环右移3位；

所述轮密钥加变换是将每16位数据与轮密钥进行异或运算；

所述列混淆替换为：将每16位数据以4位数据划分为一个单位，形成一个4×1的矩阵，再与矩阵M在有限域2⁴中进行矩阵乘运算，其中矩阵M为：

所述的一种新型轻量级CORL分组密码加密实现方法，所述加密迭代运算的步骤2)中，轮置换T变换如下：

将待进行轮置换T变换的64位待加密数据从低位到高位依次划分为4个字，每个字为16位：T₀、T₁、T₂、T₃，以T₂、T₃、T₀、T₁作为轮置换T变化运算的64位输出数据。

所述的一种新型轻量级CORL分组密码加密实现方法，F函数所使用的S盒为：

S＝(6，5，C，A，1，E，7，9，B，0，3，D，8，F，4，2)；

S盒为4位映射到4位:有限域

每组16位待置换数据依次按低位到高位排列成4×4的矩阵，按列分别通过S盒置换。

一种新型轻量级CORL分组密码解密实现方法，包括以下步骤：

将前述的方法得到的64位密文数据Y作为待解密数据，并从低位到高位按16位一组依次分为4组，记作：Y₀Y₁Y₂Y₃；取如前述的方法中的初始密钥，每一轮迭代运算从初始密钥中选取两段16位的密钥作为轮密钥并分别记作RK₀、RK₁；

将待解密数据进行N_R轮迭代运算操作，输出明文，其中当前的迭代轮次以n表示，且n的初始值为0，N_R的取值为22，

解密迭代运算如下：

步骤1)首先将Y₃进行F函数变换得到Y″₃，令Y″₃与Y₀异或得到Y′₀，将Y′₀通过F函数变化得到Y″₀，接着令Y″₀与Y₁和Y₂异或得到Y′₁和Y′₂；

其中，Y₀所进行的F函数，所使用的轮密钥为RK₀；

Y₃所进行的F函数，所使用的轮密钥为RK₁：

判断n是否等于N_R，若不等于，则，令n＝n+1，进入步骤2)若等于，则进入步骤3)；

步骤2)将Y′₀Y′₁Y′₂Y₃进行轮置换T变换，获得轮置换T变换结果记作Y^T；

将运行结果Y^T，从高位开始按16位一组依次分为4组，记作：

将

依次赋给Y₀、Y₁、Y₂、Y₃，返回步骤1)；

步骤3)将

依次赋给Y₀、Y₁、Y₂、Y₃，以Y₀Y₁Y₂Y₃作为明文输出。

所述的一种新型轻量级CORL分组密码解密实现方法，选取两段16位的密钥作为轮密钥的步骤为：将预设的80位初始密钥记作K＝{k₀、k₁……k₇₈、k₇₉}，首先将K中的{k₆₄、k₆₅……k₇₈、k₇₉}数据段通过S盒置换进行变化，然后将中的所有数据段向左循环移位9位，最后取{k₄₈、k₄₉……k₆₂、k₆₃}为RK₀，{k₆₄、k₆₅……k₇₈、k₇₉}为RK₁。

所述的一种新型轻量级CORL分组密码解密实现方法，所述解密迭代运算的步骤1)中，所述F函数变换过程为：行移位变换→轮密钥加变换→S盒替换变换→行移位变换→列混淆变换；

其中所述行移位为，将每16位数据表示为4×4的矩阵，其中第一行不移动，第二行循环右移1位，第三行循环右移2位，第四行循环右移3位；

所述轮密钥加变换是将每16位数据与轮密钥进行异或运算；

所述列混淆替换为：将每16位数据以4位数据划分为一个单位，形成一个4×1的矩阵，再与矩阵M在有限域2⁴中进行矩阵乘运算，其中矩阵M为：

所述的一种新型轻量级CORL分组密码解密实现方法，所述解密迭代运算的步骤2)中，轮置换T变换如下：

将待进行轮置换T变换的64位待加密数据从低位到高位依次划分为4个字，每个字为16位：T₀、T₁、T₂、T₃，以T₂、T₃、T₀、T₁作为轮置换T变化运算的64位输出数据。

所述的一种新型轻量级CORL分组密码解密实现方法，F函数所使用的S盒为：

S＝(6，5，C，A，1，E，7，9，B，0，3，D，8，F，4，2)；

S盒为4位映射到4位:有限域

每组16位待置换数据依次按低位到高位排列成4×4的矩阵，按列分别通过S盒置换。

本发明的技术效果在于，提供了一种新型轻量级分组密码CORL的实现方法，设计了一种新型广义Feistel网络结构，该结构算法优化了传统Feistel网络结构算法，一轮迭代运算只改变一半数据的不足，从而做到了在不必加入过度复杂的变化，就能每轮改变四分之三的数据。该新型Feistel网络结构的算法有很好的扩散效果，有效的打破了SPN结构的轻量级算法扩散强，但实现时消耗资源较多，传统Feistel网络结构的轻量级算法实现资源较少，但算法扩散效果较差的两大瓶颈问题。算法加解密复用率较高，在解密时只需添加一些控制信号便可以进行解密，操作简便，实现解密不需消耗过多资源。并且密码算法模块具有相似对称组件，实现时可以相互复用。轮函数变换中F函数，变换过程为行移位变换→轮密钥加变换→S盒替换变换→行移位变换→列混淆变换；其中轮密钥加的轮密钥采用简单的有限域加、异或、移位运算构成，减少了资源提升了性能，且在软件上的实现效率得到了显著的提升；S盒与M矩阵在安全性与性能都较为优良，S盒按列来进行置换变换，移位对进行变换，M矩阵对行进列混淆，使得F函数具有低资源、高性能、高安全性的优点。算法轮置换T变换，使算法数据进行置换有较好效果，并且实现只需硬件连线，不需消耗资源。

综上所述，本发明所述的新型轻量级分组密码CORL实现方法在安全性验证中，体现了很好的抵抗攻击能能力，相对现有技术而言，特别有效的抵抗差分和线性攻击、代数攻击。

附图说明

图1为本发明所述一种新型轻量级分组密码CORL的实现方法加密结构图；

图2为本发明所述一种新型轻量级分组密码CORL的实现方法解密结构图；

图3为本发明所述实现方法的轮函数变换结构图；

图4为本发明所述实现方法F函数变化的结构图；

图5为本算法所述实现方法的S盒置换变化结构图；

图6为本算法所述实现方法的轮置换T变换结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

CORL分组密码实现方式，设计密码算法的分组长度为64位，密钥长度位80位，算法轮迭代轮数N_R为22轮运算。

CORL分组密码算法加密结构如图1所示，CORL分组密码算法解密结构如图2所示；

算法轮函数运算主要包含F函数变换(F-Function)与轮置换T变换(RoundTransposing)；但最后一轮函数运算不进行轮置换T变换，见图3所示。

F函数变换过程为行移位变换(Rowshift)→轮密钥加变换(AddRoundKey)→S盒替换变换(SubCell)→行移位变换(Rowshift)→列混淆变换(MixColumns)；

将64位明文(Plaintext)/密文(Ciphertext)数据从高位开始按16位一组依次分为4组，加密明文数据记作：X₀、X₁、X₂、X₃，解密密文数据记作Y₀、Y₁、Y₂、Y₃，当64位密钥(Key)数据从高位开始按16位一组依次分为4组，记密钥为：K₀、K₁、K₂、K₃。

CORL分组密码算法伪代码描述：

算法1：CORL密码加密过程

输入：Plaintext，Key；

输出Ciphertext；

算法2：CORL密码解密过程

输入：Ciphertext，Key；

输出Plaintext；

F函数变换(F_Function)

F函数变换由轮密钥加、行移位变换、S盒置换变换、列混淆变换，具体操作过程为：行移位变换→轮密钥加变换→S盒置换变换→行移位变换→列混淆变换，具体操作过程如图4所示。

1)轮密钥加变换(AddRoundKey)

每轮的轮密钥加运算为，进入F函数通过行移位后的16为加/解密数据与16的轮密钥行异或运算。其中每一轮运算轮密钥的RK₀与RK₁，且算法加/解密过程使用同一密钥。

算法轮密钥具体生成过程如下：初始密钥K＝{k₀、k₁……k₇₈、k₇₉}，由用户提出保存在寄存器中，第n轮的密钥RK₀和RK₁，分别为寄存器中的值K的{k₄₈、k₄₉……k₆₂、k₆₃}，{k₆₄、k₆₅……k₇₈、k₇₉}；具体操作步骤如下：1)K值的{k₆₄、k₆₅……k₇₈、k₇₉}数据段通过S盒置换变换；2)K向左循环移位9位；3)取{k₄₈、k₄₉……k₆₂、k₆₃}→RK₀，{k₆₄、k₆₅……k₇₈、k₇₉}→RK₁；

2)行移位置换变换(Rowshift)

行移位变换为：将16位待变换数据排列成一个4×4的矩阵，其中第一行不进行移位变换，第二行向右循环移动1位，第三行向右循环移动2位，第四行向右循环移位3位，得出变换后的矩阵。

3)列混淆变换(MixColumns)

列混淆矩阵变换是将16位的待变换数据组成排列成4×1的矩阵，然后与矩阵在域GF(2⁴)上进行算术性替换。其中所使用的矩阵引用了AES中所使用的矩阵：

4)S盒替换变换(SubCell)

S盒替换变换是CORL算法中的非线性组件，算法中所使用的S盒引用于rectangle算法的S盒如表1所示；将16位的待变换数据排列成一个矩阵，根据列将数据分为a₀，a₁，a₂，a₃，替换得到为b₀，b₁，b₂，b₃,如公式(1)所示，具体S盒替换变换过程如图5所示；

有限域S：

a_i→b_i＝S₁(a_i)公式(1)

表1 CORL算法S盒表元素

X	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	A	B	C	D	E	F
																	S[x]	6	5	C	A	1	E	7	9	B	0	3	D	8	F	4	2

轮置换T变换(Round Transposing)

轮置换T变换为4个数据分支的位置交替的变换，具体操作为：将待变换的64位数据分为4个分支，每个分支占有数据16位；将分支3换到分支1，分支4换到分支2，分支1换到分支3，分支2换到分支4，完成轮置换T变换。轮置换T变化的具体变换过程如图6所示。

算法测试数据，CORL算法的测试数据如表2所示：

表2

Plaintext	Key	Ciphertext
			0000-0000-0000-0000	0000-0000-0000-0000-0000	054A-F12E-67FC-E99B
0000-0000-0000-0000	FFFF-FFFF-FFFF-FFFF-FFFF	D238-E31D-C193-C5BC
			FFFF-FFFF-FFFF-FFFF	FFFF-FFFF-FFFF-FFFF-FFFF	B8F2-521C-DD2F-52CC
FFFF-FFFF-FFFF-FFFF	0000-0000-0000-0000-0000	131B-1FBC8324-2174
			13FC-450D-7AEF-3689	2903-75AC-DF0C-AE86-CCF5	7CAA-06B2-BC59-6BA6

本发明所述的CORL密码算法在ASIC硬件实现，综合工艺库SMIC 0.18μm。CORL算法所占用的面积资源为1486GE，表3为一些典型轻量级分组密码ASIC硬件实现，通过表3中的数据对比表明，CORL相对目前的轻量级密码，占用面积相对更小，且本算法每一轮能改变更多的数据，使得加密所需要的轮数更少，吞吐量更大，加密相同数量级的数据所需要的时间更少。

表3

算法	轮数	结构	分组长度(bits)	密钥长度(bits)	资源面积(GE)
						PRESNET-80	31	SPN	64	80	1570
Twine-80	36	GFNS	64	80	1799
						MISB	32	Feistel	64	80	1530
PICCOLO-80	25	Feistel	64	80	1496
						LILLIPUT	30	GFNS	64	80	1545
CORL	22	GFNS	64	80	1486

以上结合具体实施例对本发明进行了详细的说明，这些并非构成对发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可以作出许多变形和改进，这些也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种新型轻量级CORL分组密码加密实现方法，其特征在于，包括以下步骤：将64位待加密数据X从低位到高位按16位一组依次分为4组，记作：X₀ X₁ X₂ X₃，预设80位的初始密钥，每一轮迭代运算从初始密钥中选取两段16位的密钥作为轮密钥并分别记作RK₀、RK₁；

将待加密数据进行N_R轮迭代运算操作，输出密文，其中当前的迭代轮次以n表示，且n的初始值为0，N_R的取值为22；

加密迭代运算包括以下步骤：

步骤1)首先，将X₀进行F函数变换得到X″₀，同时X₃也进行F函数变换得到X″₃；接着，将X″₀与X₁和X₂进行异或运算得到X′₁和X′₂，X″₃与X₀异或运算得到X′₀；其中，X₀所进行的F函数所使用的轮密钥为RK₀；

X₃所进行的F函数所使用的轮密钥为RK₁：

判断n是否等于N_R，若不等于，则n+1，进入步骤2)，否则进入步骤3)；

步骤2)将X′₀ X′₁ X′₂ X₃进行轮置换T变换，获得轮置换T变换结果并记作X^T；

将X^T，从高位开始按16位一组依次分为4组，记作：

将

依次赋给X₀、X₁、X₂、X₃，返回步骤1)；

步骤3)将

依次赋给Y₀、Y₁、Y₂、Y₃，以Y₀ Y₁ Y₂ Y₃作为密文输出；

所述加密迭代运算的步骤1)中，F函数变换过程为行移位变换→轮密钥加变换→S盒替换变换→再次行移位变换→列混淆变换；

其中所述行移位为，将每16位数据表示为4×4的矩阵，其中第一行不移动，第二行循环右移1位，第三行循环右移2位，第四行循环右移3位；

所述轮密钥加变换是将每16位数据与轮密钥进行异或运算；

所述列混淆替换为：将每16位数据以4位数据划分为一个单位，形成一个4×1的矩阵，再与矩阵M在有限域2⁴中进行矩阵乘运算，其中矩阵M为：

2.根据权利要求1所述的一种新型轻量级CORL分组密码加密实现方法，其特征在于，选取两段16位的密钥作为轮密钥的步骤为：将预设的80位初始密钥记作K＝{k₀、k₁......k₇₈、k₇₉}，首先将K中的{k₆₄、k₆₅......k₇₈、k₇₉}数据段通过S盒置换进行变化，然后将中的所有数据段向左循环移位9位，最后取{k₄₈、k₄₉......k₆₂、k₆₃}为RK₀，{k₆₄、k₆₅......k₇₈、k₇₉}为RK₁。

3.根据权利要求1所述的一种新型轻量级CORL分组密码加密实现方法，其特征在于，所述加密迭代运算的步骤2)中，轮置换T变换如下：

将待进行轮置换T变换的64位待加密数据从低位到高位依次划分为4个字，每个字为16位：T₀、T₁、T₂、T₃，以T₂、T₃、T₀、T₁作为轮置换T变化运算的64位输出数据。

4.根据权利要求1所述的一种新型轻量级CORL分组密码加密实现方法，其特征在于，F函数所使用的S盒为：

S＝(6，5，C，A，1，E，7，9，B，0，3，D，8，F，4，2)；

S盒为4位映射到4位：有限域

每组16位待置换数据依次按低位到高位排列成4×4的矩阵，按列分别通过S盒置换。

5.一种新型轻量级CORL分组密码解密实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

将根据权利要求1-4任一所述的方法得到的64位密文数据Y作为待解密数据，并从低位到高位按16位一组依次分为4组，记作：Y₀ Y₁ Y₂ Y₃；取如权利要求1-4任一所述的方法中的初始密钥，每一轮迭代运算从初始密钥中选取两段16位的密钥作为轮密钥并分别记作RK₀、RK₁；

将待解密数据进行N_R轮迭代运算操作，输出明文，其中当前的迭代轮次以n表示，且n的初始值为0，N_R的取值为22，

解密迭代运算如下：

步骤1)首先将Y₃进行F函数变换得到Y″₃，令Y″₃与Y₀异或得到Y′₀，将Y′₀通过F函数变化得到Y″₀，接着令Y″₀与Y₁和Y₂异或得到Y′₁和Y′₂；

其中，Y₀所进行的F函数所使用的轮密钥为RK₀；

Y₃所进行的F函数所使用的轮密钥为RK₁：

判断n是否等于N_R，若不等于，则，令n＝n+1，进入步骤2)若等于，则进入步骤3)；

步骤2)将Y′₀ Y′₁ Y′₂ Y₃进行轮置换T变换，获得轮置换T变换结果记作Y^T；

将运行结果Y^T，从高位开始按16位一组依次分为4组，记作：

将

依次赋给Y₀、Y₁、Y₂、Y₃，返回步骤1)；

步骤3)将

依次赋给Y₀、Y₁、Y₂、Y₃，以Y₀ Y₁ Y₂ Y₃作为明文输出；

所述解密迭代运算的步骤1)中，所述F函数变换过程为：行移位变换→轮密钥加变换→S盒替换变换→行移位变换→列混淆变换；

其中所述行移位为，将每16位数据表示为4×4的矩阵，其中第一行不移动，第二行循环右移1位，第三行循环右移2位，第四行循环右移3位；

所述轮密钥加变换是将每16位数据与轮密钥进行异或运算；

所述列混淆替换为：将每16位数据以4位数据划分为一个单位，形成一个4×1的矩阵，再与矩阵M在有限域2⁴中进行矩阵乘运算，其中矩阵M为：

6.根据权利要求5所述的一种新型轻量级CORL分组密码解密实现方法，其特征在于，选取两段16位的密钥作为轮密钥的步骤为：将预设的80位初始密钥记作K＝{k₀、k₁......k₇₈、k₇₉}，首先将K中的{k₆₄、k₆₅......k₇₈、k₇₉}数据段通过S盒置换进行变化，然后将中的所有数据段向左循环移位9位，最后取{k₄₈、k₄₉......k₆₂、k₆₃}为RK₀，{k₆₄、k₆₅......k₇₈、k₇₉}为RK₁。

7.根据权利要求5所述的一种新型轻量级CORL分组密码解密实现方法，其特征在于，所述解密迭代运算的步骤2)中，轮置换T变换如下：

将待进行轮置换T变换的64位待加密数据从低位到高位依次划分为4个字，每个字为16位：T₀、T₁、T₂、T₃，以T₂、T₃、T₀、T₁作为轮置换T变化运算的64位输出数据。

8.根据权利要求5所述的一种新型轻量级CORL分组密码解密实现方法，其特征在于，F函数所使用的S盒为：

S＝(6，5，C，A，1，E，7，9，B，0，3，D，8，F，4，2)；

S盒为4位映射到4位：有限域

每组16位待置换数据依次按低位到高位排列成4×4的矩阵，按列分别通过S盒置换。

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