一種新的安全加密標準算法-Camellia算法

一種新的實用安全加密標準算法-Camellia算法

摘要：介紹了ＮＥＳＳＩＥ標準中的分組密碼算法——Ｃａｍｅｌｌｉａ算法的加、解密過程，并對其在各種軟、硬件平臺上的性能進行了比較，結果表明Ｃａｍｅｌｌｉａ算法在各種平臺上均有著較高的效率。Ｃａｍｅｌｌｉａ算法與其它技術相結合將在信息安全領域產生更廣泛的應用。

繼２０００年１０月美國推出二十一世紀高級數據加密標準ＡＥＳ后，２００３年２月歐洲最新一代的安全標準ＮＥＳＳＩＥ（Ｎｅｗ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｓｃｈｅｍｅｓ ｆｏｒ Ｓｉｇｎａｔｕｒｅｓ、Ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ ａｎｄ Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ）出臺。ＮＥＳＳＩＥ是歐洲ＩＳＴ（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）委員會計劃的一個項目。Ｃａｍｅｌｌｉａ算法以其在各種軟件和硬件平臺上的高效率這一顯著特點成為ＮＥＳＳＩＥ標準中兩個１２８比特分組密碼算法之一（另一個為美國的ＡＥＳ算法）。

Ｃａｍｅｌｌｉａ算法由ＮＴＴ和Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ聯合開發。作為歐洲新一代的加密標準，它具有較強的安全性，能夠抵抗差分和線性密碼分析等已知的攻擊。與ＡＥＳ算法相比，Ｃａｍｅｌｌｉａ算法在各種軟硬件平臺上表現出與之相當的加密速度。除了在各種軟件和硬件平臺上的高效性這一顯著特點，它的另外一個特點是針對小規模硬件平臺的設計。整個算法的硬件執行過程包括加密、解密和密鑰擴展三部分，只需占用８．１２Ｋ ０．１８μｍ ＣＯＭＳ工藝ＡＳＩＣ的庫門邏輯。這在現有１２８比特分組密碼中是最小的。

１ Ｃａｍｅｌｌｉａ算法的組成

Ｃａｍｅｌｌｉａ算法支持１２８比特的分組長度，１２８、１９２和２５６比特的密鑰與ＡＥＳ的接口相同。本文以１２８比特密鑰為例對Ｃａｍｅｌｌｉａ算法進行詳細介紹。

Ｃａｍｅｌｌｉａ算法１２８比特密鑰的加、解密過程共有１８輪，采用Ｆｅｉｓｔｅｌ結構，加、解密過程完全相同，只是子密鑰注入順序相反。而且密鑰擴展過程和加、解密過程使用相同的部件。這使得Ｃａｍｅｌｌｉａ算法不論是在軟件平臺還是硬件平臺只需更小的規模和更小的存儲即可。

（１）Ｃａｍｅｌｌｉａ算法所采用的符號列表及其含義

Ｂ ８比特向量 Ｗ ３２比特向量

Ｌ ６４比特向量 Ｑ １２８比特向量

ｘ?ｎ? 比特向量

ｘＬ 向量ｘ的左半部分 ｘＲ 向量ｘ的右半部分

＜＜＜ 比特循環左移 ｜｜ 兩個操作數的連接

? 比特的異或操作 ｘ 比特位取補操作

∪ 比特位的或操作 ∩ 比特位的與操作

（２）Ｃａｍｅｌｌｉａ算法所采用的變量列表及其含義

Ｍ?１２８? １２８比特明文組 Ｃ?１２８? １２８比特密文組

Ｋ 主密鑰 ｋｗｔ?６４?? ｋｕ?６４?? ｋｌｖ?６４?

子密鑰

（３）Ｃａｍｅｌｌｉａ算法所采用的變換函數

·Ｆ變換

Ｆ變換（見式（１））是Ｃａｍｅｌｌｉａ算法中最主要的部件之一，而且Ｆ變換被加、解密過程和密鑰擴展過程所共用（１２８比特密鑰的加、解密各用１８次，密鑰擴展用４次）。Ｃａｍｅｌｌｉａ算法的Ｆ變換在設計時采用１輪的ＳＰＮ（Ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎ Ｐｅｒｍｕｔａｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ），包括一個Ｐ變換（線性）和一個Ｓ變換（非線性）。在Ｆｅｉｓｔｅｌ型密碼使用一輪ＳＰＮ作輪函數時，對更高階的差分和線性特性概率的理論評估變得更加復雜，在相同安全水平下的運行速度有所提高。

·Ｐ變換

Ｃａｍｅｌｌｉａ算法的Ｐ變換（見式（２））是一個線性變換。為了通信中軟、硬件實現的高效性，它適合采用異或運算，并且其安全性能足以抵抗差分和線性密碼分析。其在３２位處理器、高端智能卡上的應用，跟在８位處理器上一樣。

·Ｓ變換

Ｃａｍｅｌｌｉａ算法采用的Ｓ盒（見式（３））是一個ＧＦ（２８）上的可逆變換，它加強了算法的安全性并且適用于小硬件設計。眾所周知，ＧＦ（２８）上函數的最大差分概率的最小值被證明為２－６，最大線性概率的最小值推測為２－６。Ｃａｍｅｌｌｉａ算法選擇ＧＦ（２８）上能夠獲得最好的差分和線性概率的可逆函數作Ｓ盒，而且Ｓ盒每個輸出比特具有高階布爾多項式，使得對Ｃａｍｅｌｌｉａ進行高階差分攻擊是困難的。Ｓ盒在ＧＦ（２８）上輸入、輸出相關函數上的復雜表達式，使得插入攻擊對Ｃａｍｅｌｌｉａ無效。

Ｓ：Ｌ→Ｌ

(l'1(8),l'1(8),l'1(8),l'1(8),l'1(8),l'1(8),l'1(8),l'1(8)→

*s1(l'1(8)),s2(l'2(8)),s3(l'3(8)),s4('4(8)),s2(l'5(8)),s3(l'6(8)),

s4(l'7(8),s1(l'8(l8(8)))

其中， ｓ２:ｙ(８)＝ｓ1(x(8))=h(g(f(0xC5 x(8)))) 0x6E

s２:Y(８)＝ｓ2(ｘ(８))=s1(x(8))＜＜＜１ (３)?

ｓ３:ｙ(８)＝ｓ３(ｘ(８))＝ｓ１(ｘ(８))＞＞＞１

ｓ４:ｙ(８)＝ｓ４(ｘ(８))＝ｓ１(ｘ(８))＜＜＜１?

算法中構造了四個不同的Ｓ盒，提高了Ｃａｍｅｌｌｉａ算法抵抗階段差分攻擊的安全性。為了在小硬件上設計實現，ＧＦ（２８）上的元素可以表示成系數為ＧＦ（２４）上的多項式。這樣，在實現Ｓ盒時，只需運用子域ＧＦ（２４）上很少的操作。ｓ１變換中所采用的ｆ、ｈ、ｇ函數分別如（４）、（５）、（６）式所示。

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