密码学学习笔记（二）——对称密码算法（轻量级密码算法Twine）
文章目录
- 1. 分组密码（Twine）
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- 1.1 加解密方式
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- 1.1.1 加密
- 1.1.2 密钥生成算法
- 1.1.3 解密
- 1.1.4 全部代码
- 1.2. 分组密码的模式
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- 1.2.1 ECB模式
- 1.2.2 CBC模式
- 1.2.3 CFB模式
- 1.2.4 OFB模式
- 1.2.5 CTR模式
- 2.序列密码
如图，对称加密算法是应用较早的加密算法，技术成熟。在对称加密算法中，数据发信方将明文和加密密钥一起经过特殊加密算法处理后，使其变成复杂的加密密文发送出去。收信方收到密文后，若想解读原文，则需要使用加密用过的密钥及相同算法的逆算法对密文进行解密，才能使其恢复成可读明文。具有算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高等特点。
1. 分组密码（Twine）
Twine是由Tomoyasu Suzaki，Kazuhiko Minematsu， Sumio Morioka和Eita Kobayashi在2011年的ECRYPT轻量级密码会议上首次提出的，并发表在2012年的SAC会议上。它的分组长度是64比特，密钥长度有80比特和128比特两个版本，其采用广义的Feistel结构(Generalized Feistel Structure，简称GFS),并由36轮轮函数构成，这里我们重点介绍80位的算法。
1.1 加解密方式
1.1.1 加密
Twine-80的加密算法如下所示：
该算法采用的是广义的Feistel结构，具体结构如下图所示：
我们可以看出，此算法在Feistel结构的基础上改造了位置交换的方法，我们称之为π置换（π-1置换用于解密）：
Feistel结构中S盒如下表：
void Feistel(int r,int k)
{
int i;
char a;
if(k == 1)
{
if(r != 35)
for(i = 0;i < 16;i += 2)
{
OutPut[PI[i]] = InPut[i];
a = S[InPut[i] ^ R_Key[r][i / 2]];
OutPut[PI[i + 1]] = InPut[i + 1] ^ a;
}
else
for(i = 0;i < 16;i += 2)
{
OutPut[i] = InPut[i];
a = S[InPut[i] ^ R_Key[r][i / 2]];
OutPut[i + 1] = InPut[i + 1] ^ a;
}
}
else
{
if(r != 35)
for(i = 0;i < 16;i += 2)
{
OutPut[Pi[i]] = InPut[i];
a = S[InPut[i] ^ R_Key[35 - r][i / 2]];
OutPut[Pi[i + 1]] = InPut[i + 1] ^ a;
}
else
for(i = 0;i < 16;i += 2)
{
OutPut[i] = InPut[i];
a = S[InPut[i] ^ R_Key[35 - r][i / 2]];
OutPut[i + 1] = InPut[i + 1] ^ a;
}
}
}
1.1.2 密钥生成算法
Twine-80的密钥生成算法如下所示：
方便起见，我们将算法用图画出：
其中轮常数Con如下：
void MakeRKey()
{
int i,j,k;
int choose[8] = {
1,3,4,6,13,14,15,16};
char ch,ConH,ConL;
char key[20] = {
0};
for(i = 0;i < 10;i++)
{
ch = fgetc(KEY);
for(j = (2 * i) + 1;j >= 2 * i;j--)
{
key[j] = ch & 0x0F;
ch = ch >> 4;
}
}
for(i = 0;i < 36;i++)
{
for(j = 0;j < 8;j++)
R_Key[i][j] = key[j];
if(i < 35)
{
key[1] = key[1] ^ S[key[0]];
key[4] = key[4] ^ S[key[16]];
ConL = CON[i] & 0x07;
ConH = CON[i] >> 3;
ConH = ConH & 0x07;
key[7] = key[7] ^ ConH;
key[19] = key[19] ^ ConL;
ch = key[0];
for(j = 0;j < 19;j++)
key[j] = key[j + 1];
key[j] = ch;
for(k = 0;k < 3;k++)
{
ch = key[0];
for(j = 0;j < 18;j++)
key[j] = key[j + 1];
key[j] = ch;
}
}
}
}
1.1.3 解密
由于轮函数的等价结构，解密算法与加密算法除π置换与轮密钥的注入顺序不同外，其余均相似。
1.1.4 全部代码
代码作用是将plaintext0.txt中的数据加密为ciphertext.txt，然后再解密为plaintext.txt：
#include1.2. 分组密码的模式
在数组密码中，如何将长的明文数据分成算法要求的长度也是一个问题。为此，人们提出了分组密码的分组模式：
1.2.1 ECB模式
加密：
解密：
1.2.2 CBC模式
加密：
解密：
1.2.3 CFB模式
加密：
解密：
1.2.4 OFB模式
加密：
解密：
1.2.5 CTR模式
加密：
解密：
2.序列密码
序列密码也称为流密码（Stream Cipher），它是对称密码算法的一种。序列密码具有实现简单、便于硬件实施、加解密处理速度快、没有或只有有限的错误传播等特点，因此在实际应用中，特别是专用或机密机构中保持着优势，典型的应用领域包括无线通信、外交通信。
1949年Shannon证明了只有一次一密的密码体制是绝对安全的，这给序列密码技术的研究以强大的支持，序列密码方案的发展是模仿一次一密系统的尝试，或者说“一次一密”的密码方案是序列密码的雏形。如果序列密码所使用的是真正随机方式的、与消息流长度相同的密钥流，则此时的序列密码就是一次一密的密码体制。若能以一种方式产生一随机序列（密钥流），这一序列由密钥所确定，则利用这样的序列就可以进行加密，即将密钥、明文表示成连续的符号或二进制，对应地进行加密,加解密时一次处理明文中的一个或几个比特。
在序列密码中，密钥流由密钥流发生器f产生：zi=f(k,si)，这里的si是加密器中存储器（记忆元件）在i时刻的状态。根据加密器中的记忆元件si的存贮状态是否依赖于明文字符，序列密码可进一步分成同步和自同步两种。如果si独立于明文字符则称为同步流密码，否则称为自同步流密码。
序列密码算法主要依靠（线性）反馈移位寄存器，这里就不过多说明了。