信息加密方法
2023-06-12 20:12:21 2
專利名稱：信息加密方法
技術領域：
本發明涉及信息加密技術領域，更具體地講，本發明涉及一種利用魔方旋轉原理進行加密的方法，屬於對稱密鑰的加密方法。
背景技術：
信息加密方法一般分為對稱密鑰加密方法和非對稱密鑰(公開密鑰)加密方法兩種。隨著現代通信信息量不斷加大，人們對信息安全的認識和要求越來越高。為了保證傳 輸過程中通信內容不會洩密，可供使用的信息加密傳輸方法有很多。由於公知的非對稱密鑰方法(如RSA，ECC等)計算強度太大並不適合大數據量通信時使用，相對而言對稱密鑰加密方法更適合一些。常用的對稱密鑰加密方法有DES、AES等標準公開的算法，但是這些公開算法的計算量非常大，加密和解密的時間成本很高，也不利於大數據量通信的加密。為了提高計算速度，出現了各種基於硬體的DES加密晶片，系統在提高加密運算速度的同時也增加了系統的經濟成本。下面對DES和AES的安全性和效率進行比較。自DES算法1977年首次公諸於世以來，學術界對其進行了深入的研究，圍繞它的安全性展開了激烈的爭論。在技術上，對DES的批評主要集中在以下3個方面I、作為分組密碼，DES的加密單位僅有64位二進位，這對於數據傳輸來說太小，因為每個分組僅含8個字符，而且其中某些位還要用於奇偶校驗或其它通信開銷。2、DES的密鑰的位數太短，只有56比特，而且各次迭代中使用的密鑰kf是遞推產生的，這種相關必然降低密碼體制的安全性。在現有技術下用窮舉法尋找密鑰已趨於可行。1999年在電子前沿組織(Electronic Frontier Foundation, EFF)進行的一次測試中，只用了不到3天的時間就破解了一個DES加密系統。因此，若要保護10年以上的數據最好不要採用DES算法。3、DES不能對抗差分和線性密碼分析。相對DES算法來說，AES算法無疑解決了上述問題，主要表現在如下幾方面I、AES標準支持可變分組長度，分組長度可設定為32比特的任意倍數，最小值為128比特，最大值為256比特。2、AES的密鑰長度比DES大，它也可設定為32比特的任意倍數，最小值為128比特，最大值為256比特，用窮舉法不可能破解。假設取密鑰長度為128比特，那麼要破解2128個可能的密鑰的密文平均要嘗試的密鑰的個數為2127，一臺計算機用窮舉法破解大概需要的時間為1000年。可以看出這實際上是不可行的。在可預計的將來，如果計算機的運行速度沒有根本性的提高，用窮舉法破解AES密鑰幾乎不可能。3、AES算法的設計策略是寬軌跡策略(Wide Trail Strategy，WTS)，WTS是針對差分分析和線性分析提出的，可對抗差分密碼分析和線性密碼分析。根據DES和AES的算法實現的程序實測結果，AES算法性能大約為DES算法的3倍，經優化的AES算法的性能比DES算法性能大約高5倍左右。
DES和AES算法已經公布多年，隨著時間的推移，已有多種有效破解DES和AES的方法公布。雖然AES算法的安全性比DES算法的安全性有大幅度提升，但原因是因為密鑰長度的加長。雖然AES算法性能比DES算法性能高，但並沒有達到數量級的提高，兩者性能還是處於同一個數量級的水平。隨著通信量的加大，需要一種高效率、低成本並且高強度的信息加密方法，以支持大數據量通信。
發明內容
本發明針對DES、AES等方法的不足之處，提供一種高強度、高效率、低成本的對稱密鑰加密方法，主要解決信息在傳輸過程中被非法截獲而被還原的問題。
根據本發明的一方面，提供一種信息加密方法，該方法包括將需要加密的信息根據與所述信息中的每個字符所對應的ASCII碼按位展開為LI個字節，並存儲在MXN大小的數組Matrix [M] [N]中，其中，MXN = LI X 8，M、N、LI均為整數；任取隨機密鑰K，密鑰長度為1^2個字節，依次使用密鑰1(中的每一個字節1([1]，0<1<1^2-1，根據字節1([1]的位數據，對數組Matrix [M] [N]進行移位操作；將移位後的數組Matrix [M] [N]按位還原為LI個字節數據，完成加密過程。優選地，在將需要加密的信息的LI個字節存儲在數組Matrix[M] [N]中之前，可使用密鑰K對所述LI個字節進行數據預處理，使得需要加密的信息與原文信息不同。優選地,如果LI = 8, L2 = 8,則M = 8, N = 8,並且所述移位操作可包括循環取密鑰K的每一個字節K [I]，0< I <7，設置循環變量I、J、X、Y，I為字節K [I]的序號，J為字節K[I]的第O、I位所對應的十進位數值，X為字節Κ[Ι]的第2、3、4位所對應的十進位數值，Y為字節Κ[Ι]的5、6、7位所對應的十進位數值；設置臨時數組Τ，將數組Matrix[8]的第I行的8個數據順序存儲在臨時數組T中，將數組Matrix[8] [8]的第2J列的8個數據順序移位至數組Matrix [8] [8]的第I行，將數組Matrix [8] [8]的第X行的8個數據順序移位至數組Matrix[8] [8]的第2J列,將數組Matrix[8] [8]的第Y列的8個數據順序移位至數組Matrix [8] [8]的第X行，將存儲在臨時數組T中的8個數據順序存儲在數組Matrix[8] [8]的第 Y 列中。優選地，數據預處理可包括將8位元組信息的每一個字節與8位元組密鑰K的相應字節進行異或運算。優選地，如果8 < LI 8，則當I彡8時，將I設置為等於當前循環次數取8的模；設置臨時數組Τ，將數組Matrix [8] [LI]的左側8X8子數組的第I行的8個數據存儲在臨時數組T中，將數組Matrix[8] [LI]的第(2J+L1-8)列的8個數據移位至數組Matrix[8] [LI]的左側8X8子數組的第I行，將數組Matrix[8] [LI]的左側8X8子數組的第X行的8個數據移位至數組Matrix[8] [LI]的第(2J+L1-8)列，將數組Matrix [8] [LI]的第(Y+L1-8)列的8個數據移位至數組Matrix [8][LI]的左側8X8子數組的第X行，將存儲在臨時數組T中的8個數據依次存儲在數組Matrix[8] [LI]的第(Y+Ll-8)列中。優選地，數據預處理可包括將所述信息的每一個字節與密鑰K的相應字節相加，相加的結果如果大於255，則溢出後只取最後一個字節，其中，如果密鑰的長度L2不等於LI，則根據密鑰K的長度L2，將密鑰K拼接或裁減為LI字節。優選地,如果LI = 32,則M = 16, N = 16,並且所述移位操作可包括循環取密鑰K的每一個字節Κ[Ι]，0< I 16，則當I彡16時，將I設置為等於當前循環次數取16的模；將數組Matrix [16] [16]的第I行向左或向右循環旋轉X個數據，將數組Matrix [16] [16]的第J列向上或向下循環旋轉Y個數據。優選地，數據預處理可包括所述信息的每一個字節與密鑰K的相應字節相減，相減的結果如果小於0，則溢出後只取最後一個字節，其中，如果密鑰的長度L2不等於32，則根據密鑰K的長度L2，將密鑰K拼接或裁減為32位元組。優選地，如果LI = 32，則設置數組Matrix[8X32]，將32位元組的所述信息按位依次填入數組Matrix[8X32]，所述移位操作可包括循環取密鑰K的每一個字節K[I]，
O^ I ^ L2-1，設置循環變量J、X、Y，J為字節K [I]的第2-7位所對應的十進位數值，X為字節K [I]的高4位所對應的十進位數值，Y為字節K [I]的低4位所對應的十進位數值；將數組Matrix[8X 32]的第4J個數據開始的X個數據向左或向右循環旋轉Y個數據。優選地，數據預處理可包括將所述信息的每一個字節Data[I]與密鑰的相應字節K[I% L2]相加，I < I ( L1-1，所得結果再與所述信息的前I-I個字節的累加和相加，相加的結果如果大於255，溢出後只取最後一個字節，其中，1% L2表示循環變量I對L2取模。本發明的加密方法不限定密鑰長度和信息分組的長度，具有比較大的靈活性，算法的選取完全取決於實施的需要，更增加了破解的難度。當信息量比較大時，可將信息分組長度設的更大一點，運算效率可成倍提高。
圖I是本發明的數據加密方法的總體框圖。圖2是本發明的數據加密方法的總體流程圖。圖3是本發明實施例I的加密過程的示意圖。圖4是本發明實施例2的加密過程的示意圖。圖5是本發明實施例3的加密過程的示意圖。圖6是本發明實施例4的加密過程的示意圖。
具體實施例方式通過結合附圖，從下面的實施例的描述中，本發明這些和/或其它方面及優點將會變得清楚，並且更易於理解，其中圖I是根據本發明的數據加密/解密方法的總體框圖。如圖I所示，根據本發明的信息加密方法的主要技術構思包括以下內容。在信息發送方10，通信節點A可包括加密模塊11，加密模塊11用於對發送的信息進行加密。加密模塊11可以是軟體模塊，也可以是硬體模塊。加密模塊11隨機生成長度為Lk (Lk彡8)字節的密鑰Key，密鑰Key可存儲在加密模塊11中。加密模塊11所使用的加密算法Enc (Key, Msg)利用密鑰的隨機性對信息進行移位，來對信息加密，其中，Key為密鑰，Msg為要進行加密的信息。解密算法Dec (Key，Msg)執行加密算法Enc (Key, Msg)的逆過程。其中，Key為密鑰的內容,Msg為要進行加密信息。加密過程具有非常高的時間效率。通信節點A在發送信息之前根據與所述信息中的每個字符所對應的ASCII碼按位展開為LI個字節，LI即為所述信息中的字符的數量。具體地講，對於將要加密的信息中的每個字符m，m具有唯一的ASCII碼二進位數(共8位)，因此一個信息字符對應於一個字節的ASCII碼二進位數。通信節點A使用加密模塊11對展開的每一個字節按位進行移位加密。然後，通信節點A使用加密模塊11對每一個信息字節按位進行移位加密，並將加密的信息通過通信鏈路發送到通信節點B。通信節點B可獲得加密的信息。
如果所述信息中的字符的數量LI較大(例如大於特定值)，則還可先將信息分割成信息字節分組，字節分組長度為Lm(Lm ^ 8)，即，每個字節分組具有Lm個字節。由Lm個字符構成的信息字節分組對應於長度為Lm的字節分組。因此，每一個信息字節分組可以看作是字符數量較少的待加密的信息的展開字節。然後，通信節點A使用加密模塊11對每一個信息字節分組中的每個字節按位進行移位加密，並將加密的信息通過通信鏈路發送到通信節點B。在信息接收方20，通信節點B可包括解密模塊21，用於對接收到的加密信息進行解密。解密模塊21可以是軟體模塊，也可以是硬體模塊。解密模塊21使用解密算法Dec (Key, Msg』 )對接收到的加密信息進行解密。解密算法Dec (Key，Msg』 )執行加密算法Enc (Key7Msg)的逆過程，其中，Key為密鑰的內容，Msg』為加密的信息。解密過程也具有非常高的時間效率。通信節點B接收到加密的信息後，使用解密模塊21對加密的信息進行解密，獲得解密的ASCII碼二進位數，進而獲得對應的信息原文。在信息被分割為多個信息字節分組的情況下，通信節點B按約定的長度Lm(Lm ^ 8)將該信息進行字節分組，依次對每一個信息字節分組進行解密，再將各個解密的信息串接起來，進而獲得對應的信息原文。圖2是根據本發明的數據加密方法的總體流程圖。參照圖2，在步驟201，將需要加密的信息根據與所述信息中的每個字符所對應的ASCII碼按位展開為LI個字節，並存儲在MXN大小的數組Matrix [M] [N]中，其中，MXN =L1X8，M、N、L1均為整數。在步驟202，任取隨機密鑰Key (以下簡稱為密鑰K)，密鑰長度為L2個字節，L2可以任意。依次使用密鑰K中的每一個字節Κ[Ι]，0< I SL2-1，根據字節K[I]的位數據，對數組Matrix [Μ] [N]進行移位操作。移位操作將循環L2次。在步驟203，將移位後的數組Matrix [M] [N]按位還原為LI個字節數據，加密過程結束。在解密過程中，按照與加密操作相反的操作得到對應的ASCII碼，進而可獲得信息原文。優選的是，在將需要加密的信息的LI個字節存儲在MXN大小的數組Matrix[M][N]中之前，可使用密鑰K對LI個字節進行數據預處理，使得需要加密的信息與原文信息不同。可使用多種數據預處理方式，將結合具體實施例進行詳細描述。實施例I下面描述根據本發明實施例I的信息加密方法。圖3示出了根據本發明實施例I的加密過程的示意圖。在本實施例中，以8位元組長度的密鑰和8位元組長度的信息分組為例，具體加密過程如下(I)將8位元組信息的每一個字節與8位元組密鑰的相應字節進行數據預處理，具體地，可將8位元組信息的每一個字節與8位元組密鑰的相應字節進行異或運算。(2)設置一個8X8位元組的數組Matrix[8] [8](即，M = 8, N = 8),把8位元組預處理後的64個位數據按順序填入該數組內。(3)循環取密鑰K的每一個字節K [I]，0彡I彡7，設置循環變量I、J、X、Y，I為字節K[I]的序號，J=字節Κ[Ι]的第O、I位所對應的十進位數值(例如，Κ[Ι]的第0、1位為10，則J = I X 2^0X2° = 2)，乂為字節1([1]的第2、3、4位所對應的十進位數值(例如，字節 Κ[Ι]的第 2、3、4 位為 101，則 X = 1Χ22+0Χ21+1Χ2° = 5)，丫為字節1([1]的 5、6、7 位所對應的十進位數值。可以得知，O < 2J、X、Y 8，則當
I> 8時，可將I設置為等於當前循環次數取8的模，例如，當前循環次數是第9次循環，則I為9取8的模(等於I)。實施例3下面描述根據本發明實施例3的信息加密方法。圖5示出了根據本發明實施例3的加密過程的示意圖。設密鑰長度為L2位元組，信息字節分組長度LI為32位元組。本實施例的步驟與實施例I的步驟不同之處在於數據預處理和移位操作，因此僅對數據預處理和移位操作進行描述。數據預處理如果密鑰長度L2不等於32，可根據密鑰的長度，將密鑰拼接或裁減為32位元組。然後將信息字節分組的每一個字節與密鑰的相應字節相減，相減的結果如果小於0，則溢出後只取最後一個字節。移位操作設置數組Matrix[16] [16]，將預處理後的32位元組數據按位依次填入數組Matrix [16] [16]中。循環取密鑰的每一個字節K [I]，設置循環變量X、Y，X為字節K [I]的高4位所對應的十進位數值，Y為字節K[I]的低4位所對應的十進位數值。可以得知，O彡X、Y彡15。將數組Matrix[16] [16]的第I行向左或向右循環旋轉X個數據，將數組Matrix [16] [16]的第J列向上或向下循環旋轉Y個數據。移位操作要循環L2次，圖5示出了 L2 = 16的示例。如果密鑰長度L2 > 16，則當I > 16時，可將I設置為等於當前循環次數取16的模，例如，當前循環次數是第17次循環，則I為17取16的模(等於I)。實施例4下面描述根據本發明實施例4的信息加密方法。圖6示出了根據本發明實施例4的加密過程的示意圖。設信息字節分組長度LI = 32，本實施例的步驟與實施例I的步驟不同之處在於數據預處理和移位操作，因此僅對數據預處理和移位操作進行描述。數據預處理將信息的每一個字節Data[I] (I彡I彡Ll_l)與密鑰的相應字節K[I% L2]相加(這裡，1% L2表示循環變量I對L2取模)，所得結果再與信息的前1_1個字節的累加和Sum(Data, I-1)相加,相加的結果如果大於255,溢出後只取最後一個字節。可以看出，沒有對信息的第一個字節Data
進行數據預處理。移位操作設置數組Matrix[8X32]，將預處理後的字節數據按位依次填入數組Matrix [8 X 32]。循環取密鑰的每一個字節K [I]，O ( I ( L2-1，設置循環變量J、X、Y，J為字節K [I]的第2-7位所對應的十進位數值，X為字節K [I]的高4位所對應的十進位數值，Y為字節K[I]的低4位所對應的十進位數值。可以得知，O < J < 63，0 < X、Y < 15。將數組Matrix[8X 32]的第4J個數據開始的X個數據向左或向右循環旋轉Y數據。移位操作要循環L2次，圖5示出了 L2 = 16的示例。此外，圖5示出了一共16次移位操作中的3次移位操作。以上的實施例中提到了不同的數據預處理方式和不同的移位操作，實際上遠遠不止這幾種方式，本領域技術人員可容易地使用另外的數據預處理方式和不同的移位操作，還可對數據預處理方式和移位操作進行不同的組合。本發明對信息的加密僅僅對數據進行移位處理，解密過程相反，其計算效率是非常高的。經實際測試，在同等條件下，本發明的加密方法的加密速度是DES的60倍以上，是AES的10倍以上，加密效率提高了一個數量級。本發明的加密方法的加密強度依賴於密鑰的隨機性，對於加密過程的每一個循環，密鑰的每一個字節都是隨機的，則循環變量I、J、X、Y也是隨機的，加密過程沒有規律。當嘗試用暴力方法破解時，可能嘗試的某一條密鑰對某一個信息分組是正確的，但對下一個信息分組是錯誤的。對於某一個信息分組，可能會有無數個密鑰符合要求，但其中只有一個密鑰是正確的。本發明的加密方法不限定密鑰長度和信息分組的長度，具有比較大的靈活性，算法的選取完全取決於實施的需要，更增加了破解的難度。當信息量比較大時，可將信息分組長度設的更大一點，運算效率可成倍提高。本發明的加密方法的加密強度取決於密鑰的長度，它的加密強度與等長密鑰的AES算法的加密強度相當。雖然本發明是參照其示例性的實施例被具體描述和顯示的，但是本領域的普通技術人員應該理解，在不脫離由權利要求限定的本發明的精神和範圍的情況下，可以對其進行形式和細節的各種改變。
權利要求
1.一種信息加密方法,包括 將需要加密的信息根據與所述信息中的每個字符所對應的ASCII碼按位展開為LI個字節，並存儲在MXN大小的數組Matrix[M] [N]中，其中，MXN = L1X8，M、N、L1均為整數； 任取隨機密鑰K，密鑰長度為L2個字節，依次使用密鑰K中的每一個字節K[I]，O≤I≤L2-1，根據字節Κ[Ι]的位數據，對數組Matrix [Μ] [N]進行移位操作； 將移位後的數組Matrix [Μ] [N]按位還原為LI個字節數據，完成加密過程。
2.根據權利要求I所述的信息加密方法，其特徵在於在將需要加密的信息的LI個字節存儲在數組Matrix [M] [N]中之前，使用密鑰K對所述LI個字節進行數據預處理，使得需要加密的信息與原文信息不同。
3.根據權利要求2所述的信息加密方法，其特徵在於如果LI= 8，L2 = 8，則M = 8，N = 8,並且所述移位操作包括， 循環取密鑰K的每一個字節K [I]，O ( I ( 7，設置循環變量I、J、X、Y，I為字節K [I]的序號，J為字節κ[1]的第O、I位所對應的十進位數值，X為字節Κ[Ι]的第2、3、4位所對應的十進位數值，Y為字節Κ[Ι]的5、6、7位所對應的十進位數值； 設置臨時數組Τ，將數組Matrix[8] [8]的第I行的8個數據順序存儲在臨時數組T中，將數組Matrix [8] [8]的第2J列的8個數據順序移位至數組Matrix [8] [8]的第I行，將數組Matrix[8] [8]的第X行的8個數據順序移位至數組Matrix[8] [8]的第2J列，將數組Matrix[8] [8]的第Y列的8個數據順序移位至數組Matrix[8] [8]的第X行，將存儲在臨時數組T中的8個數據順序存儲在數組Matrix [8] [8]的第Y列中。
4.根據權利要求3所述的信息加密方法，其特徵在於數據預處理包括，將8位元組信息的每一個字節與8位元組密鑰K的相應字節進行異或運算。
5.根據權利要求2所述的信息加密方法，其特徵在於如果8≤ LI≤16，則M = 8，N=LI,並且所述移位操作包括， 循環取密鑰K的每一個字節K [I]，O ≤ I ≤ L2-1，設置循環變量I、J、X、Y，I為字節K[I]的序號，J為字節Κ[Ι]的第0、1位所對應的十進位數值，X為字節Κ[Ι]的第2、3、4位所對應的十進位數值，Y為字節Κ[Ι]的5、6、7位所對應的十進位數值，其中，如果密鑰長度L2 > 8，則當I≤8時，將I設置為等於當前循環次數取8的模； 設置臨時數組Τ，將數組Matrix[8] [LI]的左側8X8子數組的第I行的8個數據存儲在臨時數組T中，將數組Matrix[8] [LI]的第(2J+L1-8)列的8個數據移位至數組Matrix[8][LI]的左側8X8子數組的第I行，將數組Matrix[8] [LI]的左側8X8子數組的第X行的8個數據移位至數組Matrix[8] [LI]的第(2J+L1-8)列，將數組Matrix[8] [LI]的第(Y+L1-8)列的8個數據移位至數組Matrix[8] [LI]的左側8X8子數組的第X行，將存儲在臨時數組T中的8個數據依次存儲在數組Matrix[8] [LI]的第(Y+L1-8)列中。
6.根據權利要求5所述的信息加密方法，其特徵在於數據預處理包括，將所述信息的每一個字節與密鑰K的相應字節相加，相加的結果如果大於255，則溢出後只取最後一個字節， 其中，如果密鑰的長度L2不等於LI，則根據密鑰K的長度L2，將密鑰K拼接或裁減為LI字節。
7.根據權利要求2所述的信息加密方法，其特徵在於如果LI= 32，則M = 16，N =.16，並且所述移位操作包括， 循環取密鑰K的每一個字節K [I]，O ( I ( L2-1，設置循環變量I、X、Y，I為字節K [I]的序號，X為字節K [I]的高4位所對應的十進位數值，Y為字節K [I]的低4位所對應的十進位數值，其中，如果密鑰長度L2> 16，則當I > 16時，將I設置為等於當前循環次數取.16的模； 將數組Matrix[16] [16]的第I行向左或向右循環旋轉X個數據，將數組Matrix[16][16]的第J列向上或向下循環旋轉Y個數據。
8.根據權利要求7所述的信息加密方法，其特徵在於數據預處理包括，所述信息的每一個字節與密鑰K的相應字節相減，相減的結果如果小於O，則溢出後只取最後一個字節， 其中，如果密鑰的長度L2不等於32，則根據密鑰K的長度L2，將密鑰K拼接或裁減為.32位元組。
9.根據權利要求2所述的信息加密方法，其特徵在於如果LI= 32，則設置數組Matrix [8 X 32]，將32位元組的所述信息按位依次填入數組Matrix [8 X 32]， 所述移位操作包括，循環取密鑰K的每一個字節K [I]，O < I < L2-1，設置循環變量J、X、Y，J為字節K [I]的第2-7位所對應的十進位數值，X為字節K [I]的高4位所對應的十進位數值，Y為字節K [I]的低4位所對應的十進位數值； 將數組Matrix [8 X 32]的第4J個數據開始的X個數據向左循或向右環旋轉Y個數據。
10.根據權利要求9所述的信息加密方法，其特徵在於數據預處理包括， 將所述信息的每一個字節Data[I]與密鑰的相應字節K[I% L2]相加，I彡I ( L1-1，所得結果再與所述信息的前I-I個字節的累加和相加，相加的結果如果大於255，溢出後只取最後一個字節， 其中，1% L2表示循環變量I對L2取模。
全文摘要
一種信息加密方法，該方法包括將需要加密的信息根據與所述信息中的每個字符所對應的ASCII碼按位展開為L1個字節，並存儲在M×N大小的數組Matrix[M][N]中，其中，M×N＝L1×8，M、N、L1均為整數；任取隨機密鑰K，密鑰長度為L2個字節，依次使用密鑰K中的每一個字節K[I]，0≤I≤L21，根據字節K[I]的位數據，對數組Matrix[M][N]進行移位操作；將移位後的數組Matrix[M][N]按位還原為L1個字節數據，完成加密過程。本發明的加密方法不限定密鑰長度和信息分組的長度，具有比較大的靈活性，算法的選取完全取決於實施的需要，更增加了破解的難度。
文檔編號H04L9/06GK102904711SQ201110208439
公開日2013年1月30日 申請日期2011年7月25日 優先權日2011年7月25日
發明者王政, 吳恆志, 黃日文 申請人:深圳市金溢科技有限公司