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文档简介
1、一种非线性流式加密算法by袁园为了更好的说明算法,我们先对一些必要的概念做简单介绍。1 流式算法1.1 对称加密对称加密,它的加密和解密都是用同一把密钥完成。对称加密比不对称加密快得多,但缺点在于,它的安全性完全依赖于保持密码的机密性。不对称加密,它要求使用两个密钥,一个是公共的(公钥),另一个是私有的(私钥)。每个密钥都要求使用另一个密钥来解密一条消息。它的复杂性提高,因此没有普及。1.2 加密算法通常有两种方法可以对一批数据进行加密,一种是区块加密系统,另一种是流式加密系统。1.2.1 Block Cipher(区块加密系统)区块加密获取一大批数据,并用密钥对其加密。这个过程不断重复,直至
2、彻底加密整条消息。通常,会有一个长度变量来控制数据块的大小。但无论长度大小,都会用整个密钥来加密数据区块。Cipher Function(data , password)=Output整个密钥(password)每次都原封不动的用于数据加密,在连续使用的过程中,区块加密系统在功能上会越来越弱。密钥很容易从密文中提取出来。1.2.2 Stream Cipher(流式加密系统)流式加密也使用一个密钥,但它的加密单位小的多。区块加密可一次加密整页文本,但流式加密只能对构成一页文本的每个字母的每个比特进行加密。流式加密使用了除密钥和数据外的一个状态条件,即对流经加密程序的每个数据区块,数据都会进行不同
3、的加密。为了实现此算法,需要合并状态值和密钥生成一个随机改变的数据流Key Stream。它的加密函数有两部构成:Key Stream = State Function(State ,Password);Output = XOR(data , key stream).2 加密算法2.1 概述该算法本质为流式加密算法的一种,即对明文数据的每个bit位都进行加密。而且生成上述Key Stream 的State Function 是非线性函数,因此是一种非线性流式加密算法,还因为它加解密都使用同一密钥,所以称它是对称的。2.2 名词介绍该算法涉及到一些专业术语,我们有必要首先作声明。移位寄存器序列是
4、指由移位寄存器输出的由“1”和“0”构成的序列。相应的时间波形是指由“1”和“-1”构成的时间函数,如图2-1所示。(a)1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0(b)图2-1(a)移位寄存器序列(b)移位寄存器波形移位寄存器序列的产生如图2-2 。主要由移位寄存器和反馈函数构成。移位寄存器内容为或1,反馈函数的输入端通过系数与移位寄存器的各级状态相联()输出通过反馈线作为的输入。移位寄存器在时钟的作用下把反馈函数的输出存入,在下一个时钟周期又把新的反馈函数的输出存入而把原的内容移入,依次循环下去,不断输出。如果反馈函数为的模2加(即异或),就称寄存器为线
5、性反馈移位寄存器序列产生器(LFSR)。反馈函数还决定了寄存器移位的状态总数,若使得寄存器能遍历除全零外的所有状态,则称寄存器为m序列发生器,对应此时的称为本原多项式。 异或(XOR)XOR是一个简单的逻辑运算。它是比特位的不进位加法,是一种初级的加密方案,将一个数据区段与另一个数据区段合并到一起,从而生成一个被打乱的输出。因为它的速度极快,因此成为最流行的加密方法之一。在生成Key Stream 后,加密函数只需将数据与其做异或便得到密文,解密是只需将密文再与其做异或,即可得到数据。2.3 算法实现 获得加密密钥算法使用password的为64比特。在该算法中状态值也是64 bit。算法初始
6、时取机器时间的低64位与password异或得到加密密钥。以后取算法运行一次生成的84 bit中的64 bit作为状态值。初始状态值的随机性,以及后来状态值的迭代性,使得加密算法更安全。 移位寄存器.1 两个寄存器运算上述加密密钥送到两个64级,但具有不同的本原多项式的m序列寄存器中,作为寄存器的输入。其中为寄存器的第i bit 位对两个寄存器作如下操作:首先运转128次,得到的序列取其最高7bit构成一个十进制数N,查随机数表,输出另一个十进数Ni,寄存器再运转Ni次,得到64bit输出序列。将两个寄存器的输出按如下形式运算:LFSR1 = A1 + A2 + A3 + A4 + A5 +
7、A6 + A7 + A8LFSR2 = B1 + B2 + B3 + B4 + B5 + B6 + B7 + B8LFSR = A1 B8 + A2 B7 + A3 B6 + A4 B5 + A5 B4 + A6 B3 + A7 B2 + A8 B1.2 得到非线性函数的输入上述得到的LFSR 作为第三个寄存器的输入,经过与前两个寄存器相同的运转后,输出序列即位非线性函数的64bit输入。 非线性State Function.1 得到14个十进制数从64bit的输入中确定14个数,计算式如下:得到的为一组,为另一组。.2 对第一组数的处理 根据的值计算一组非线性函数,输出为一个8 bit数。因
8、为的值为03,所以只可能是下面函数中其中一个:式中,是两个置换表,输入为7 bit,输出也为7 bit。根据计算出来的值我们继续运算:上式中Ni7时,取Ni=0。最后计算输出一个8 bit字。.3 对第二组数的处理对第二组数做相同的处理,也得到一个8 bit字。 Key Stream 的生成对两个8 bit字作如下运算,输出一个4 bit 字合并寄存器3的64 bit输出,以及上述4 bit字,生成84 bit Key Stream序列: 加密将生成序列奇偶互换,并接在原始序列之后构成一个长度为168 bit的序列。设置一个值指向序列的某一位,由所指当前位相邻的高8 bit构成一个字节,这个值
9、由序列第一位开始依次后移直到序列的最后一位。(其中当值指向序列末尾时,不够8 bit的向序列起始位循环)由上生成168个字节的加密序列,与所给数据相应的字节做异或运算,得到密文。3附表 31 随机数表87797111073121611110113155921248970364045675596610978849198105112120011916251154317627290921031141251279730445669749510812211022655158829613318654494283100118826416381101512145285931972827619411611345
10、7801043912648737512320465335124235077294326088117184776106102386899233643732 置换表016324864809611282440567288104120117334965819711392541577389105121218345066829811410264258749010612231935516783991151127435975911071234203652688410011612284460769210812452137536985101117132945617793109125622385470861021181430466278941101267233955718710311915314763799511112733 置换表064165266367468569670771872973107411751276137714781579168017811882198320842185228623872488258926902791289229
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