一種明文數據加密方法及設備與流程
2023-07-27 01:14:21
本發明涉及信息安全技術，尤指一種明文數據加密方法及設備。
背景技術：
隨著計算機和通信技術的發展，用戶對信息的安全存儲、安全處理和安全傳輸的需求越來越迫切。特別地，隨著internet的廣泛應用，以及個人通信、多媒體通信、辦公自動化、電子郵件、電子自動轉帳支付系統和自動零售業務網的建立和實現，信息的安全保護問題就顯得更加重要，解決這一問題的有效手段之一是使用現代密碼技術。
美國數據加密標準(des，dataencryptionstandard)的頒布實施標誌著現代密碼學的誕生，從此揭開了商用密碼研究的序幕。此後實用密碼的研究基本上在沿著兩個方向進行，即以公鑰加密算法rsa為代表的公開密鑰密碼和以des為代表的秘密密鑰分組密碼。其中，分組密碼具有速度快，易於標準化和便於軟硬體實現等特點，通常是信息與網絡安全中實現數據加密、消息鑑別、認證及密鑰管理的核心密碼算法，它在計算機通信和信息系統安全領域有著廣泛的應用。美國國家標準技術研究所在2001年發布了高級加密標準(aes)。aes是一個對稱分組密碼算法，旨在取代des成為廣泛使用的標準。韓國分組密碼標準(aria算法)是目前廣泛應用的分組加密算法之一，但其與aes算法相似的設計結構使得很多攻擊aes算法的方法對aria產生威脅，如何優化aria算法，提升信息安全性是目前需要解決的問題之一。
技術實現要素：
針對上述技術問題，本發明提供了一種明文數據加密方法及設備，對aria算法進行了改進，能夠抵抗滑動攻擊，提升信息安全性。
為了達到本發明目的，本發明提供了一種明文數據加密方法，應用於包括有處理器的設備，該方法包括：
將白化密鑰k0與明文數據p按字節做異或運算得到運算結果x0，x0表示第一個中間態，其中白化密鑰k0為預先配置的主密鑰k的最左邊128比特；
對運算結果x0進行r-1輪迭代變換得到運算結果xi，其中每輪迭代變換包括混淆層sl變換、擴散層dl變換和密鑰加變換rka，其中1≤i≤r-1，r表示輪數；
將運算結果x(r-1)通過第r輪變換，獲得密文數據c，其中
進一步地，混淆層sl包括第一類混淆層和第二類混淆層，所述混淆層變換為非線性變換，採用4個s盒：s1、s2、s3和s4，其中s4＝s1-1；第一類混淆層變換在奇數輪中使用，第二類混淆層變換在偶數輪中使用。
進一步地，所述擴散層dl變換為線性變換，是將16位元組狀態(x0,x1,...,x15)映射為(y0,y1,...,y15)，具體定義如下：
(x0,x1,...,x15)→(y0,y1,...,y15)
進一步地，所述密鑰加rka變換是將輪密鑰ki與中間狀態xi-1進行逐字節異或運算，記為：
進一步地，該方法還包括：對輪密鑰ki進行編排；所述對輪密鑰ki進行編排具體包括：
主密鑰k表示為：
對於i＝1,2,……32，循環執行以下變換：
1)循環移位(θ)：即第j行循環左移j字節，(j＝1，2，3，4)；
2)s變換(γ)：即第j行前四個字節進行sj變換；
3)前四列異或以下矩陣(π)：
4)輸出ki＝πογοθ(k)，取最左邊128比特作為輪密鑰ki。
進一步地，該方法還包括：
對所述密文數據c進行解密操作，所述解密操作為加密操作的逆操作，所述解密操作過程包括：
步驟一：將密文數據c與輪密鑰k32按位異或操作；
步驟二：將步驟一異或結果進行第一類混淆層非線性變換；
步驟三：將步驟二非線性變換結果與輪密鑰ki按位異或(i＝31,30...,1)；
步驟四：將步驟三的異或結果進行擴散層線性變化；
步驟五：將步驟四線性變換結果進行混淆層非線性變換，其中混淆層第一類變換在偶數輪中使用，混淆層第二類變換在奇數輪中使用；
步驟六：將步驟五的非線性變換結果作為下一輪迭代的輸入變元，依次重複步驟三、四、五的操作，直至第1輪；
步驟七：將步驟六的結果與白化密鑰k0的前128比特按位異或，從而得到明文數據p。
為了達到本發明目的，本發明還提供了一種設備，包括處理器、存儲器及存儲在所述存儲器上並可在所述處理器上運行的電腦程式，所述處理器執行所述電腦程式時實現上述明文數據加密方法的步驟。
進一步地，所述處理器包括圖形處理器gpu；
所述gpu，用於將白化密鑰k0與明文數據p按字節做異或運算得到運算結果x0，x0表示第一個中間態，對運算結果x0進行r-1輪迭代變換得到運算結果xi，其中每輪迭代變換包括混淆層sl變換、擴散層dl變換和密鑰加變換rka，其中1≤i≤r-1，r表示輪數；將運算結果x(r-1)通過第r輪變換，獲得密文數據c，其中
進一步地，所述處理器包括中央處理器cpu；所述cpu，用於對輪密鑰ki進行編排；所述對輪密鑰ki進行編排具體包括：
輸出主密鑰k的最左邊128比特作為白化密鑰k0。其中主密鑰k表示為：
對於i＝1,2,……32，循環執行以下變換：
1)循環移位(θ)：即第j行循環左移j字節，(j＝1，2，3，4)；
2)s變換(γ)：即第j行前四個字節進行sj變換；
3)前四列異或以下矩陣(π)：
4)輸出ki＝πογοθ(k)，取最左邊128比特作為輪密鑰ki。
為了達到本發明目的，本發明還提供了一種計算機可讀存儲介質，其上存儲有電腦程式，所述電腦程式被處理器執行時實現上述明文數據加密方法的步驟。
本發明技術方案提供了一種明文數據加密方法及設備，該方法應用於包括有處理器的設備，包括：將白化密鑰k0與明文數據p按字節做異或運算得到運算結果x0，x0表示第一個中間態，對運算結果x0進行r-1輪迭代變換得到運算結果xi，其中每輪迭代變換包括混淆層sl變換、擴散層dl變換和密鑰加變換rka，其中1≤i≤r-1，r表示輪數；將運算結果x(r-1)通過第r輪變換，獲得密文數據c，其中本發明對aria密碼算法進行了改進，具有良好的抵抗滑動攻擊性能，提升了信息的安全性。
附圖說明
此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中：
圖1為本發明實施例提供的明文數據加密方法流程示意圖；
圖2為本發明實施例一提供的明文數據加解密方法流程示意圖；
圖3為本實施例二提供的加解密設備架構示意圖；
圖4為本發明實施例二提供的加解密方法流程示意圖。
具體實施方式
下面將結合附圖及實施例對本發明的技術方案進行更詳細的說明。
應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
在後續的描述中，使用用於表示元件的諸如「模塊」、「部件」或「單元」的後綴僅為了有利於本發明的說明，其本身沒有特定的意義。因此，「模塊」、「部件」或「單元」可以混合地使用。
根據本發明的一個實施例，提供了一種明文數據加密方法。圖1為本發明實施例提供的明文數據加密方法流程示意圖，如圖1所示，該明文數據加密方法，應用於包括有處理器的設備，包括：
步驟101，將白化密鑰k0與明文數據p按字節做異或運算得到運算結果x0，x0表示第一個中間態，其中白化密鑰k0為預先配置的主密鑰k的最左邊128比特；
步驟102，對運算結果x0進行r-1輪迭代變換得到運算結果xi，其中每輪迭代變換包括混淆層(sl)變換、擴散層(dl)變換和密鑰加變換(rka)，其中1≤i≤r-1，r表示輪數；
步驟103，將運算結果x(r-1)通過第r輪變換，獲得密文數據c，其中
運算符ο是表示兩個函數的複合運算。
白化密鑰k0、輪密鑰ki以及kr都可以通過對預先配置的主密鑰k的編排而獲得，主密鑰k、輪密鑰ki以及kr可以為256比特。主密鑰k可以表示如下：
進一步地，混淆層(sl)包括第一類混淆層和第二類混淆層，所述混淆層變換為非線性變換，採用4個s盒：s1、s2、s3和s4，其中s4＝s1-1。第一類混淆層變換在奇數輪中使用，第二類混淆層變換在偶數輪中使用。
進一步地，所述擴散層(dl)變換為線性變換，是將16位元組狀態(x0,x1,...,x15)映射為(y0,y1,...,y15)，具體定義如下：
(x0,x1,...,x15)→(y0,y1,...,y15)
進一步地，密鑰加變換(rka)是將輪密鑰ki與中間狀態xi-1進行逐字節異或運算，記為：
進一步地，經如下步驟獲得所述輪密鑰ki：
主密鑰k表示為：(均為字節)
輸出k的最左邊128比特作為白化密鑰k0
對於i＝1,2,……32，循環執行以下變換：
1)循環移位(θ)：即第j行循環左移j字節，(j＝1，2，3，4)；
2)s變換(γ)：即第j行前四個字節進行sj變換；
3)前四列異或以下矩陣(π)：
4)輸出ki＝πογοθ(k)(即取最左邊128比特)：即取第3)步結果的前四列作為輪密鑰ki。
進一步地，該方法還包括：對所述密文數據c進行解密操作，解密過程包括：
步驟一：將密文數據c與輪密鑰k32按位異或操作；
步驟二：將步驟一異或結果進行第一類混淆層非線性變換；
步驟三：將步驟二非線性變換結果與輪密鑰ki按位異或(i＝31,30...,1)；
步驟四：將步驟三的異或結果進行擴散層線性變化；
步驟五：將步驟四線性變換結果進行混淆層非線性變換，其中混淆層第一類變換在偶數輪中使用，混淆層第二類變換在奇數輪中使用；
步驟六：將步驟五的非線性變換結果作為下一輪迭代的輸入變元，依次重複步驟三、四、五的操作，直至第1輪；
步驟七：將步驟六的結果與主密鑰k0的前128比特按位異或，從而得到明文數據p。
而本發明技術方案提供的新算法不僅結合了原aria算法的優勢，並且在混淆層和秘鑰編排上做了創新，具有良好的抗滑動攻擊的能力。滑動攻擊是指使用相同的輪函數，或幾輪輪函數形成一個周期等弱點，尋找滿足一定條件的明密對，從中可以獲得密鑰的部分信息。原有aria算法容易受到滑動攻擊，本發明新算法與aria算法的不同點在於：
第一，秘鑰長度上新算法採用256bit，區別與aria算法的秘鑰長度。
第二，混淆層進行了變換。新算法的第一類替代變換sl採用s1、s2、的順序，而aria算法是採用s1、s2、的順序排列，其中新算法中的s2和aria算法中的s1都是採用aes算法中的s盒，而新算法中的s1和aria算法中的s2採用的是兩種不同的s盒。
第三，秘鑰編排上也不相同，新算法經過循環移位(θ)和s變換(χ)、異或運算後只取前128bit作為輪秘鑰，而aria算法是需要2個128bit的初始kl和kr，由種子秘鑰mk生成，規則如下：
kl||kr＝mk||0...0
經過兩輪的feistel變換後生成4個128bit的秘鑰字w0，w1，w2，w3，通過對它們進行移位和異或運算後來獲取所需輪秘鑰。
實施例一
本發明實施例一提供了一種明文數據加解密方法，本實施例一中明文數據分組長度為128比特，輪密鑰ki長度為256比特，對應的輪數r為32輪。
圖2為本發明實施例一提供的明文數據加解密方法流程示意圖，如圖2所示，一種明文數據加解密方法，應用於包括有處理器的設備，對明文數據進行加解密處理的方法步驟包括：
流程如圖2所示，加密流程：
對明文數據進行初始白化過程，即將白化密鑰k0與明文數據p按字節做異或運算：
對x0進行如下r-1輪迭代變換，每輪迭代變換包括混淆層sl變換、擴散層dl變換和密鑰加變換rka，其中1≤i≤r-1，；
將r-1輪的輸出結果xr-1通過r輪變換，獲得密文數據c，其中
r表示輪數，本實施例中r為32，rka表示密鑰加變換，x0表示第一個中間態。
上述加密處理流程的整體結構為sp(subspacepursuit)結構，每一輪由以下3個操作構成。
1、混淆層sl
混淆層變換為非線性變換，本算法採用兩類混淆層，即第一類混淆層和第二類混淆層，可參照圖2和圖3，兩類替代變換共採用4個s盒：s1、s2、s3和s4，其中，s4＝s1-1。混淆層第一類變換在奇數輪中使用，混淆層第二類變換在偶數輪中使用。
s1：
s2：
s3：
s4：
2、擴散層dl：
擴散層變換為線性變換，它將16位元組狀態(x0,x1,...,x15)映射為(y0,y1,...,y15)，具體定義如下：
(x0,x1,...,x15)→(y0,y1,...,y15)
3、密鑰加變換rka
密鑰加變換是將輪密鑰ki與中間狀態xi-1進行逐字節異或運算，記為：
進一步地，該方法還包括，在對明文數據進行初始白化過程之前，對輪密鑰進行編排，其中密鑰編排的具體過程如下：
密鑰擴展算法步驟如下：
步驟一：輸出k的最左邊128比特作為輪子密鑰(白化密鑰)k0；
主密鑰k可以表示為：(均為字節)
步驟二：對於i＝1,2,……32，循環執行以下變換：
1)循環移位(θ)：即第j行循環左移j字節，(j＝1，2，3，4)；
2)s變換(γ)：即第j行前四個字節進行sj變換；
3)前四列異或以下矩陣(π)：
4)輸出ki＝πογοθ(k)(即取最左邊128比特)：即取第3)步結果的前四列作為輪密鑰ki。
進一步地，該方法還包括：對密文數據c進行解密，流程如圖2所示，解密流程如下：
解密過程包括：
步驟一：將密文與輪密鑰k32按位異或操作；
步驟二：將步驟一異或結果進行第一類混淆層非線性變換；
步驟三：將步驟二非線性變換結果與輪密鑰ki按位異或(i＝31,30...,1)；
步驟四：將步驟三的異或結果進行擴散層線性變化；
步驟五：將步驟四線性變換結果進行混淆層非線性變換，其中混淆層第一類變換在偶數輪中使用，混淆層第二類變換在奇數輪中使用；
步驟六：將步驟五的非線性變換結果作為下一輪迭代的輸入變元，依次重複步驟三、四、五的操作，直至第1輪；
步驟七：將步驟六的結果與白化密鑰k0的前128比特按位異或，從而得到明文數據輸出。
其中，解密過程仍為32輪，每一輪的操作是加密操作的逆操作，其中採用的是s盒的逆運算查表，做逆變換時，密鑰是從k32開始，而線性層也就是擴散層的逆就是線性層本身。
根據本發明的另一實施例，提供了一種設備，包括處理器、存儲器及存儲在所述存儲器上並可在所述處理器上運行的電腦程式，其特徵在於，所述處理器執行所述電腦程式時實現上述的明文數據加密方法的步驟。
進一步地，所述處理器包括圖形處理器gpu；
所述處理器包括圖形處理器gpu；
所述gpu，用於將白化密鑰k0與明文數據p按字節做異或運算得到運算結果x0，x0表示第一個中間態，對運算結果x0進行r-1輪迭代變換得到運算結果xi，其中每輪迭代變換包括混淆層sl變換、擴散層dl變換和密鑰加變換rka，其中1≤i≤r-1，r表示輪數；將運算結果x(r-1)通過第r輪變換，獲得密文數據c，其中
其中，明文數據p分組長度可以為128比特，輪密鑰ki長度可以為256比特，r可以為32。
進一步地，所述處理器包括中央處理器cpu；所述cpu，用於對輪密鑰ki進行編排；所述對輪密鑰ki進行編排具體包括：
輸出主密鑰k的最左邊128比特作為白化密鑰k0。其中主密鑰k表示為：
對於i＝1,2,……32，循環執行以下變換：
1)循環移位(θ)：即第j行循環左移j字節，(j＝1，2，3，4)；
2)s變換(γ)：即第j行前四個字節進行sj變換；
3)前四列異或以下矩陣(π)：
4)輸出ki＝πογοθ(k)，取最左邊128比特作為輪密鑰ki。
實施例二
本實施例二提供了一種明文數據加解密設備，圖3為本實施例二提供的加解密設備架構示意圖，圖4為本發明實施例二提供的加解密方法流程示意圖，如圖3和圖4所示，
本發明實施例提供了一種明文數據加解密設備，包括：中央處理器cpu和圖形處理器gpu，其中gpu進行負責明文數據的加解密計算，cpu負責秘鑰擴展算法，即密鑰編排，存儲器主要涉及到明文、密文、輪秘鑰、s盒的存儲。共享存儲區可以被多個線程共享訪問。
在上述加解密設備中進行加解密操作的流程如圖4所示，輪秘鑰的產生在cpu中，處理結果傳遞到gpu相對應存儲區域中後調用線程進行混淆、擴展等處理進行加解密。
加密過程包括：
步驟一：在計算開始前，將明文、密文、輪秘鑰、s盒存儲到gpu的全局存儲區，在gpu中開闢32個線程，每個線程實現一個輪函數。
步驟二：線程並行將分組密碼算法的128比特明文與輪密鑰ki從全局存儲區複製到共享存儲區，將輪秘鑰的前128比特按位異或操作；
步驟三：對上一步運算結果再經過混淆層的非線性變換，其中混淆層第一類變換在奇數輪中使用，混淆層第二類變換在偶數輪中使用；
步驟四：將步驟三非線性變換的結果再做擴散層線性變換；
步驟五：將步驟四的線性變換結果與輪密鑰ki按位異或(i＝1,2...,31)；
步驟六：將步驟五的異或結果作為下一輪迭代的輸入變元，依次重複步驟三、四、五的操作，直至第31輪；
步驟六：到第32輪時，將第31輪輸出結果做第二類混淆層非線性變換，從而得到密文輸出。
解密過程包括：
步驟一：將密文與輪密鑰k32按位異或操作；
步驟二：將步驟一異或結果進行第一類混淆層非線性變換；
步驟三：將步驟二非線性變換結果與輪密鑰ki按位異或(i＝31,30...,1)；
步驟四：將步驟三的異或結果進行擴散層線性變化；
步驟五：將步驟四線性變換結果進行混淆層非線性變換，其中混淆層第一類變換在偶數輪中使用，混淆層第二類變換在奇數輪中使用；
步驟六：將步驟五的非線性變換結果作為下一輪迭代的輸入變元，依次重複步驟三、四、五的操作，直至第1輪；
步驟七：將步驟六的結果與主密鑰k0的前128比特按位異或，從而得到明文輸出。
本發明提供的分組密碼加解密算法，其設計基於完善的數學理論，結合了aria密碼算法的優點，設計安全合理，從而具有良好的抵抗滑動攻擊性能，提升了信息的安全性。
根據本發明的又一實施例，提供了一種計算機可讀存儲介質，其上存儲有電腦程式，其特徵在於，所述電腦程式被處理器執行時實現上述明文數據加密方法的步驟。
需要說明的是，在本文中，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者裝置不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者裝置所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括該要素的過程、方法、物品或者裝置中還存在另外的相同要素。
上述本發明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。
通過以上的實施方式的描述，本領域的技術人員可以清楚地了解到上述實施例方法可藉助軟體加必需的通用硬體平臺的方式來實現，當然也可以通過硬體，但很多情況下前者是更佳的實施方式。基於這樣的理解，本發明的技術方案本質上或者說對現有技術做出貢獻的部分可以以軟體產品的形式體現出來，該計算機軟體產品存儲在一個存儲介質(如rom/ram、磁碟、光碟)中，包括若干指令用以使得一臺終端設備(可以是手機，計算機，伺服器，空調器，或者網絡設備等)執行本發明各個實施例所述的方法。
以上僅為本發明的優選實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。