“荡秋千”式的分组密码加密方法 【技术领域】
本发明涉及信息加密技术领域，更确切地说是涉及一种利用电子计算机技术及编码技术，形成动态电子密码的方法。背景技术
对信息进行加密，以防止非法人员获得信息系统中的机密信息，是保证信息安全的一个极其重要的技术手段。可靠的加密方案可以使一些敏感信息、甚至机密信息能放心大胆地在公共信道上传输或存贮在没有防护措施的介质上。
分组加密方法是以现代电子密码形式实现信息保密的重要技术方案之一，分组密码开始于(据公开资料)七十年代中期出现的DES。与序列密码相比，分组密码的一个突出优点是用户的密钥可以重复使用。分组加密算法地实现技术是先将明文数据分成若干个长度为n比特的明文组，再将每一个n比特的明文组用别的n比特的符号来代替，从而形成n比特的密文(即密文组)。因此分组加密方法的基本特征是一种代替作业。解密过程则是将n比特的密文组逆代为原始的n比特的明文组。目前，国际上公认的分组大小n为128和64。
随着分组密码技术的发展，特别是近年来开展的征集密码加密标准的活动，陆续公开了一些分组密码算法。如1997年4月NIST发起征集AES(AdvancedEncryption Standard)后，有15个分组密码方案获得了候选资格；2000年1月欧洲开始征集欧洲标准，共有17个分组密码方案参选。目前，韩国、日本和俄罗斯等国家都已制定了各自的加密标准，中国制定自已的加密标准已经事在必行。
显然，如果能设计出一种优良的加密方案，并将其广泛地服务于社会，将有利于推动国民经济各个重要领域的信息基础设施建设，自然是利国利民之举，因此，发明性能优良且拥有技术特色的加密方案成为我们的心愿。
在AES和欧洲加密标准征集中，共征集了30多个分组密码方案，如RIJNDAEL、RC6、MARS、TWOFISH、IDEA、SAFER++等等。这些方案基本代表了当前国际分组密码算法的水平、特点、风格和基本方向。当然，除了上述30多个方案外，还有一些其它的方案。
分组密码算法设计的基本前提是确保和提高安全性能。综观已有的分组密码方案，存在的问题是加解密速度较慢，而且许多算法的逻辑结构较复杂，不易程序实现或难以在微型电路芯片上实现。因而，很有必要发掘这方面的潜力。
另一方面，随着半个世纪以来移位寄存器理论的逐渐成熟，移位寄存器被广泛地应用于生成伪随机序列上，特别是用于生成拥有良好统计特性的长周期序列。移位寄存器序列密码，是将移位寄存器应用于现代序列电子密码设计之中，将其作为生成伪随机密钥流序列的基础。近年来随着密码编码和分析技术的不断深入，在众多分组密码方案中有部分方案的明密文变换过程可以看作是由移位寄存器完成的，不过或多或少都存在加解密速度较慢和逻辑结构实现较复杂的问题。发明内容
本发明的目的是设计一种“荡秋千”式的分组密码加密方法，全部利用移位寄存器实现明密文的变换过程，具有安全性可靠、加解密速度快、算法逻辑易于实现等特点。
实现本发明目的的技术方案是这样的：一种“荡秋千”式的分组密码加密方法，其特征在于包括以下处理步骤：
A.将明文数据按每组M字节(M×8比特)分成明文组；
B.设置密钥K，并由密钥K形成256元的替换表(S盒)；
C.设置一个Z/(28)环上的M级移位寄存器，将M字节明文组数据对应置入M级移位寄存器中；
D.进行右移反馈，将M级移位寄存器的各级由左到右依次编号第0级、第1级、……、第M-1级，左半边的移位方式是将原第0级的内容反馈到第1级、原第1级的内容反馈到第2级、……、原第M/2-2级的内容反馈到第M/2-1级，原第M/2-1级的内容反馈到第0级，右半边的移位方式是将原第M/2级的内容反馈到第M/2+1级、原第M/2+1级的内容反馈到第M/2+2级、……、原第M-2级的内容反馈到第M-1级，原第M/2级的内容经过S盒后所得的替换值与原第M-1级的内容和原第M/2-1级的内容三者加和并模256后反馈到第M/2级，按设置的移位幅度j，右移M级移位寄存器共j拍；
E.进行左移反馈，将M级移位寄存器的各级由左到右依次编号第0级、第1级、……、第M-1级，右半边的移位方式是将原第M/2+1级的内容反馈到第M/2级、原第M/2+2级的内容反馈到第M/2+1级、……、原第M-1级的内容反馈到第M-2级，原第M/2级的内容反馈到第M-1级，左半边的移位方式是将原第M/2-1级的内容反馈到第M/2-2级、原第M/2-2级的内容反馈到第M/2-3级、……、原第1级的内容反馈到第0级，原第M/2-1级的内容经过S盒后所得的替换值与原第0级的内容和原第M/2级的内容三者加和并模256后反馈到第M/2-1级，按设置的移位幅度j，左移M级移位寄存器共j拍；
F.重复执行步骤D、E，直至达到预设的右移和左移轮数时停止；
G.将停止移位后的M级移位寄存器状态作为对该明文组加密所得到的密文组。
所述的M值为8、12、16或20，所对应的分组大小分别为64比特、96比特、128比特和160比特。
所述的步骤B进一步包括以下处理步骤：
b1.在所设置的密钥K的长度小于32字节时，先将其循环派生为32字节，标记为第0至第31字节；
b2.将第0至第31字节密钥符自身左循环串移1位，即将每个字符的最高比特移到最低位，构成第32字节至第63字节密钥，再将第32字节至第63字节密钥符自身左循环串移1位，构成第64字节至第95字节密钥，连续执行本步骤直至形成256字节长度的密钥；
b3.建立编号为0至255的密钥数组单元，将256字节长度的密钥按每数组单元放一个字节，依次顺序放入数组单元中；
b4.建立编号为0至255的变换数组单元，并将其数值分别置为0至255；
b5.设立一个记忆单元m和一个计数单元i，并约定m的初始值为0，以i计数单元中的内容为地址查出当前密钥数组单元中的数和当前变换数组单元中的数，将它们与记忆单元m的值三者加和，并对该和数模256后做为记忆单元m的新值；
b6.按编号为步骤b5中的i及获得的m的新值，将变换数组单元中地址为m的单元中的数值与地址为255-i单元中的数值交换，将变换数组单元中地址为i单元中的数值与地址为255-m的单元中的数值交换；
b7.将步骤b5获得的记忆单元m的新值左循环串移一位；
b8.重复执行步骤b5、b6、b7，直至使计数单元i的值由0计满255，最后由变换数组单元构成256元的替换表(S盒)。
所述步骤D、E中的经过S盒，是根据S盒输入值查询以该数值编号的变换数组单元，并将该变换数组单元中的数值作为输出值。
所述步骤D、E中，在所述的各右移和左移变换中，移位幅度j是任意预置的不少于M/2的自然数。
所述步骤F中，所述的右移和左移轮数不小于2。
本发明的方法，采用先右移反馈固定拍、再左移反馈固定拍，再右移反馈另一固定拍、再左移反馈另一固定拍，…，就象荡秋千一样，故称作“荡秋千”式的分组密码加密方法。
象本发明方法这样，将移位寄存器运用于分组密码方案中，而且明密文的变换过程全部由移位寄存器状态的演变来完成，是独具匠心的一种技术方案。
本发明的方法，是基于移位寄存器状态变化实施的分组加密方法，其明密文变换的全部过程均由移位寄存器逻辑实现，其主要环节包括移位寄存器的反馈逻辑、S盒的设置、移位寄存器状态的移位幅度(拍数)及右移和左移轮数控制。将明文组作为移位寄存器的初始状态，经过非线性逻辑的多次反馈递归后，再将所得的移位寄存器的状态作为密文组输出。其中明密文间的非线性逻辑关系是由于反馈变量多次经过S盒构成。如果将明密文变换看作是一个大置换，“荡秋千”式的分组密码加密方法则给出了由移位寄存器的多次非线性反馈实现的既能抗线性攻击、又能抗差分攻击的良性大置换。其中S盒是非线性反馈逻辑中的一个重要组成部分，它是由密钥决定的。知道密钥的用户，可自如地正向或逆向作移位寄存器的状态推排，逆向推排移位寄存器状态的过程就是解密的过程。攻击者则难以从高度复杂的多次非线性复合中分离出非线性反馈逻辑，或者密钥因素。
本发明的方法，其安全依据是当攻击者不占有S盒的情况下，将无法进行移位寄存器状态的推排与演变。
本发明的算法流程容易利用软件编程实现，且适合在微型电路芯片上实现。
本发明的方法是拥有安全、快速、易于实现等特点的分组密码加密方法，其主要特点是：由非线性移位寄存器状态变换完成明密文的混合与扩散；采用右移反馈、左移反馈、再右移反馈、再左移反馈这种荡秋千式的移位方式。具体实施中，明文数据的分组大小除了128比特外还可以有64、96、160等多种选择。附图说明
图1是选择16级移位寄存器时的右移反馈结构示意图；
图2是选择16级移位寄存器时的左移反馈结构示意图；
图3是选择8级移位寄存器时的右移反馈结构示意图；
图4是选择8级移位寄存器时的左移反馈结构示意图。具体实施方式
以128比特分组为例，参见图1、图2，令Q是环Z/(28)上的一个16级移位寄存器。生成密码过程包括图1结构所示的右移反馈逻辑和图2所示的左移反馈逻辑两种反馈方式。
图中“田”为模256加法，为S盒，S盒是一个由密钥预置的由256个元素构成的替换表。
其加密流程是：将16字节明文数据依次放入移存器Q的第0至15级。应用者可以根据自已的意愿规定轮数和每轮反馈拍数(即回荡幅度)，如设定轮数为3，每轮反馈拍数依次为10、9、8，则按图1逻辑将Q右移反馈10拍，再按图2逻辑将Q左移反馈10拍，再按图1逻辑右移反馈9拍，再按图2逻辑左移反馈9拍，再按图1逻辑右移反馈8拍，再按图2逻辑左移反馈8拍，然后将得到的16级移位寄存器的16字节状态作为密文组输出。
右移反馈时，左半边的移位方式是将原第0级的内容反馈到第1级、原第1级的内容反馈到第2级、……、原第6级的内容反馈到第7级，原第7级的内容反馈到第0级。右半边的移位方式是将原第8级的内容反馈到第9级、原第9级的内容反馈到第10级、……、原第14级的内容反馈到第15级。原第8级的内容经过S盒后所得的替换值与原第15级的内容和原第7级的内容三者加和并模256后反馈到第8级。
左移反馈时，右半边的移位方式是原第9级的内容反馈到第8级、原第10级的内容反馈到第9级、……、原第15级的内容反馈到第14级，原第8级的内容反馈到第15级。左半边的移位方式是原第7级的内容反馈到第6级、原第6级的内容反馈到第5级、……、原第1级的内容反馈到第0级，原第7级的内容经过S盒后所得的替换值与原第0级的内容和原第8级的内容三者加和并模256后反馈到第7级。
实施时使用者可以自已设定轮数和移位反馈拍数。轮数越大或拍数越大，则安全性越高、运算速度越慢。
又如当分组为64比特(8个字节)时，参见图3、图4，Q’是环Z/(28)上的8级移位寄存器。从左到右各级编号为第0至第7级。加密过程包括如图3结构所示的右移反馈和如图4结构所示的左移反馈两种反馈方式。
应用者可根据自已的意愿规定轮数和每轮反馈拍数(即回荡幅度)，比如规定轮数为4和每轮反馈拍数依次为7、5、6、5。其加密流程是：将8字节明文数据依次放入移存器Q’的第0至7级，按图3逻辑将Q’先右移反馈7拍，再按图4逻辑将Q’左移反馈7拍，再按图3逻辑将Q’右移反馈5拍，再按图4逻辑将Q’左移反馈5拍，再分别按图3、图4逻辑右移反馈6拍、左移反馈6拍，再分别按图3、图4逻辑右移反馈5拍、左移反馈5拍，然后将得到的移位寄存器Q’的8字节状态做为密文输出。
同理，还可设计出分组块为96比特或160比特时的“荡秋千”式的分组加密情形。
本发明方法中，S盒的预置是极其重要的组成部分，因其操作是按一字节进行的，即8比特进8比特出，因此S盒是由密钥预置的256元置换表(28＝256)。其预置步骤如下：
1).如果密钥长度少于32字节，先将其经循环填充派生为32字节，并将这32字节编号为第0至31；
2).将第0至31字节密钥符自身左循环串移1位构成第32至第63字节密钥，将第32至63字节密钥符自身左循环串移1位构成第64至第95字节密钥，……，依此类推，直至派生出第224至255字节密钥，并将这256字节密钥对应放入密钥数组单元Key[0]-Key[255]中，设其中的任一个密钥数组单元为Key[i]；
3).设置变换数组S[0]-S[255]，并对它们分别初始预置为数值0-255，设其中的任一个变换数组为S[i]，令m为一个记忆单元，并初始预置m＝0，然后，对i＝0到255做以下操作：
{给m赋新值：m←(m+Key[i]+s[i])mod 256；
交换S[m]与S[255-i]；
交换S[i]与S[255-m]；
m左循环串移一位；
}
经上述操作所得到的S[0]-S[255]即为该密钥装置所设置的S盒，显然S[0]-S[255]是一个可逆的替换表。
下面以密钥为16进制符号“61 62 63 64 65 66 67 68 69 6a”为例，即键盘输入八单位ASC II字符a b c d e f g h i j，给出按128比特分组情况下加密一组明文的基本过程及中间结果。
首先生成S盒。
将10字节密钥循环派生为32字节，即“61 62 63 64 65 66 67 68 69 6a61 62 63 64 65 66 67 68 69 6a 61 62 63 64 65 66 67 68 69 6a 61 62”；
然后对S盒作2×256＝512次换位，每换位64次，将32字节密钥左循环串移一位，即每个字节的最高位反馈移位到该字节的最低位，最后生成的S[0]-S[255]是：
e5 a7 eb a0 63 7e c2 e4 d0 4e f5 e1 41 0e 73 1c
c1 a6 99 c7 fe 03 4f 5a da ce 64 71 45 d6 00 6a
ee f7 e9 c6 52 d4 7b bc 48 2d 56 6d a8 a4 93 20
6f 36 85 46 9d 67 96 c5 22 1d 19 ef c8 27 b5 97
9f 82 ae 75 3f bf b2 d7 87 ac 76 42 0f 2e e7 79
50 3c 7f 0d b6 fd 21 13 e8 8b a3 b4 f6 dc fa b3
91 06 26 8f 30 5e f3 54 2c 3b 61 65 cc 15 2a 35
83 5d 6b 8d aa f4 bb ed 77 cb f8 47 32 04 e0 24
db 1f fb cd b8 07 34 88 12 44 0b 55 72 94 a2 7c
ca d5 ea 33 9a 9e c4 d3 ab 0c a1 cf 70 d9 f9 6e
4c 05 23 09 4b 5c 74 17 ec de 02 49 f2 80 c3 af
86 18 d1 f0 bd 89 53 78 28 4d 40 c0 8a 51 7d 60
68 4a d8 37 10 e6 e2 dd 3a 69 98 62 b9 7a c9 90
df 6c 5b 57 92 a9 d2 b7 43 84 2b ad 39 16 08 11
95 ff 29 ba 8e 9b 31 25 a5 b0 fc 01 38 66 59 3e
e3 8c f1 be 1e 0a b1 2f 1b 3d 81 9c 5f 14 58 1a。
用P表示明文，用T和U表示移位寄存器的中间结果，用C表示密文。当用16进制表示的明文为“61 62 63 64 65 66 67 68 69 6a 6b 6c 6d 6e 6f 70”时，由明文到密文的变化过程是：
明文P＝(61 62 63 64 65 66 67 68 69 6a 6b 6c 6d 6e 6f 70)；
按图1结构右移反馈10拍
P，＝(67 68 61 62 63 64 65 66 5f d2 d3 a3 47 4f 52 ad)；
按图2结构左移反馈10拍
T＝(bc 8f 26 2e 4a 89 5c 4f d3 a3 47 4f 52 ad 5f d2)；
按图1结构右移反馈9拍
T’＝(4f bc 8f 26 2e 4a 89 5c eb 7f b3 fa 73 5c bb 32)；
按图2结构左移反馈9拍
U＝(aa 44 5f 54 5c 3a a7 32 7f b3 fa 73 5c bb 32 eb)；
按图1结构右移反馈8拍
C’＝(aa 44 5f 54 5c 3a a7 32 69 ba ae 8b 96 a9 5b 41)；
按图2结构左移反馈8拍，得密文
C＝(98 a9 eb e0 87 6b 67 c7 69 ba ae 8b 96 a9 5b 41)。
本发明的“荡秋千”式的分组加密生成过程，很容易用软件编程实现，例如用C语言编程时，当设定轮数为3，各轮的右移和左移拍数分别为10、9、8的情况下，在PIII500微机上加解密速度可达230Mb/s，所需的存储单元量不足300字节，即S盒占用256字节，密钥符实际占用32字节，而且生成S盒后这32个字节空间还可用于移位寄存器状态及中间结果存储。
本发明方法，通过对密钥雪崩效应和明文雪崩效应的基本分析，说明其有良好的抵抗密钥相关攻击、线性攻击和差分攻击的性能，除了具有安全、快速、易于实现等特点外，其最突出的特点是算法逻辑结构简洁、严谨，可有效地实施明文的混合与扩散。
本发明的“荡秋千”式的分组密码加密方法，在加解密速度方面快于RIJNDAEL、MARS、TWOFISH等著名算法，算法的逻辑结构比它们简洁，且易于程序实现，也很适合在微型芯片上实现。