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一種新的實(shí)用安全加密標(biāo)準(zhǔn)算法-Camellia算法
摘要:介紹了NESSIE標(biāo)準(zhǔn)中的分組密碼算法——Camellia算法的加、解密過(guò)程,并對(duì)其在各種軟、硬件平臺(tái)上的性能進(jìn)行了比較,結(jié)果表明Camellia算法在各種平臺(tái)上均有著較高的效率。Camellia算法與其它技術(shù)相結(jié)合將在信息安全領(lǐng)域產(chǎn)生更廣泛的應(yīng)用。繼2000年10月美國(guó)推出二十一世紀(jì)高級(jí)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)AES后,2003年2月歐洲最新一代的安全標(biāo)準(zhǔn)NESSIE(New European Schemes for Signatures、Integrity and Encryption)出臺(tái)。NESSIE是歐洲IST(Information Society Technologies)委員會(huì)計(jì)劃的一個(gè)項(xiàng)目。Camellia算法以其在各種軟件和硬件平臺(tái)上的高效率這一顯著特點(diǎn)成為NESSIE標(biāo)準(zhǔn)中兩個(gè)128比特分組密碼算法之一(另一個(gè)為美國(guó)的AES算法)。
Camellia算法由NTT和Mitsubishi Electric Corporation聯(lián)合開發(fā)。作為歐洲新一代的加密標(biāo)準(zhǔn),它具有較強(qiáng)的安全性,能夠抵抗差分和線性密碼分析等已知的攻擊。與AES算法相比,Camellia算法在各種軟硬件平臺(tái)上表現(xiàn)出與之相當(dāng)?shù)募用芩俣。除了在各種軟件和硬件平臺(tái)上的高效性這一顯著特點(diǎn),它的另外一個(gè)特點(diǎn)是針對(duì)小規(guī)模硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)。整個(gè)算法的硬件執(zhí)行過(guò)程包括加密、解密和密鑰擴(kuò)展三部分,只需占用8.12K 0.18μm COMS工藝ASIC的庫(kù)門邏輯。這在現(xiàn)有128比特分組密碼中是最小的。
1 Camellia算法的組成
Camellia算法支持128比特的分組長(zhǎng)度,128、192和256比特的密鑰與AES的接口相同。本文以128比特密鑰為例對(duì)Camellia算法進(jìn)行詳細(xì)介紹。
Camellia算法128比特密鑰的加、解密過(guò)程共有18輪,采用Feistel結(jié)構(gòu),加、解密過(guò)程完全相同,只是子密鑰注入順序相反。而且密鑰擴(kuò)展過(guò)程和加、解密過(guò)程使用相同的部件。這使得Camellia算法不論是在軟件平臺(tái)還是硬件平臺(tái)只需更小的規(guī)模和更小的存儲(chǔ)即可。
(1)Camellia算法所采用的符號(hào)列表及其含義
B 8比特向量 W 32比特向量
L 64比特向量 Q 128比特向量
x?n? 比特向量
xL 向量x的左半部分 xR 向量x的右半部分
<<< 比特循環(huán)左移 || 兩個(gè)操作數(shù)的連接
? 比特的異或操作 x 比特位取補(bǔ)操作
∪ 比特位的或操作 ∩ 比特位的與操作
(2)Camellia算法所采用的變量列表及其含義
M?128? 128比特明文組 C?128? 128比特密文組
K 主密鑰 kwt?64?? ku?64?? klv?64?
子密鑰
(3)Camellia算法所采用的變換函數(shù)
·F變換
F變換(見式(1))是Camellia算法中最主要的部件之一,而且F變換被加、解密過(guò)程和密鑰擴(kuò)展過(guò)程所共用(128比特密鑰的加、解密各用18次,密鑰擴(kuò)展用4次)。Camellia算法的F變換在設(shè)計(jì)時(shí)采用1輪的SPN(Substitution Permutation Network),包括一個(gè)P變換(線性)和一個(gè)S變換(非線性)。在Feistel型密碼使用一輪SPN作輪函數(shù)時(shí),對(duì)更高階的差分和線性特性概率的理論評(píng)估變得更加復(fù)雜,在相同安全水平下的運(yùn)行速度有所提高。
·P變換
Camellia算法的P變換(見式(2))是一個(gè)線性變換。為了通信中軟、硬件實(shí)現(xiàn)的高效性,它適合采用異或運(yùn)算,并且其安全性能足以抵抗差分和線性密碼分析。其在32位處理器、高端智能卡上的應(yīng)用,跟在8位處理器上一樣。
·S變換
Camellia算法采用的S盒(見式(3))是一個(gè)GF(28)上的可逆變換,它加強(qiáng)了算法的安全性并且適用于小硬件設(shè)計(jì)。眾所周知,GF(28)上函數(shù)的最大差分概率的最小值被證明為2-6,最大線性概率的最小值推測(cè)為2-6。Camellia算法選擇GF(28)上能夠獲得最好的差分和線性概率的可逆函數(shù)作S盒,而且S盒每個(gè)輸出比特具有高階布爾多項(xiàng)式,使得對(duì)Camellia進(jìn)行高階差分攻擊是困難的。S盒在GF(28)上輸入、輸出相關(guān)函數(shù)上的復(fù)雜表達(dá)式,使得插入攻擊對(duì)Camellia無(wú)效。
S:L→L
(l'1(8),l'1(8),l'1(8),l'1(8),l'1(8),l'1(8),l'1(8),l'1(8)→
*s1(l'1(8)),s2(l'2(8)),s3(l'3(8)),s4('4(8)),s2(l'5(8)),s3(l'6(8)),
s4(l'7(8),s1(l'8(l8(8)))
其中, s2:y(8)=s1(x(8))=h(g(f(0xC5 x(8)))) 0x6E
s2:Y(8)=s2(x(8))=s1(x(8))<<<1 (3)?
s3:y(8)=s3(x(8))=s1(x(8))>>>1
s4:y(8)=s4(x(8))=s1(x(8))<<<1?
算法中構(gòu)造了四個(gè)不同的S盒,提高了Camellia算法抵抗階段差分攻擊的安全性。為了在小硬件上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),GF(28)上的元素可以表示成系數(shù)為GF(24)上的多項(xiàng)式。這樣,在實(shí)現(xiàn)S盒時(shí),只需運(yùn)用子域GF(24)上很少的操作。s1變換中所采用的f、h、g函數(shù)分別如(4)、(5)、(6)式所示。
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