分组密码算法的自相关检测参数选择_范丽敏

Computer Science and Application 计算机科学与应用, 2023, 13(10), 1889-1901Published Online October 2023 in Hans. https:///journal/csahttps:///10.12677/csa.2023.1310187NAYUTA：一种基于分组密码的加密算法董旭鹏1，周雪晴1，杨文忠1，孟繁一21新疆大学计算机科学与技术学院(网络空间安全学院)，新疆乌鲁木齐2复旦大学微电子学院，上海收稿日期：2023年9月16日；录用日期：2023年10月16日；发布日期：2023年10月23日摘要分组密码作为对称密码的一个重要分支，在保护信息安全方面具有重要作用；当今主流的分组密码算法有DES、AES、SMS4等加密算法。

该算法作为基于分组密码设计的加密算法，选取分组密码的K空间中的密钥元素作为置换依据对密文进行置换，并在置换完毕后将密钥插入密文中，通过函数将密文中的所有块和密钥进行处理并发送。

相较于其他的加密算法，NAYUTA主要面向即时通讯，利用密文–密文验证的双因子验证模式和密文–密文验证的双因子混合模式，增加了统计学分析攻击的难度，同时也保证了密文信息的可信性和完整性。

对于双因子验证模式的处理函数而言，该模式是一种基于时间的对称加密方式，使得加密近似于理想OTP (One-Time Password)的加密方式。

NAYUTA目前已将在软件层面和硬件层面均有实现。

关键词分组密码，对称加密，密码学，加密算法，信息安全，一次一密，信息内容安全NAYUTA: An Encryption Algorithm Based on Block CiphersXupeng Dong1, Xueqing Zhou1, Wenzhong Yang1, Fanyi Meng21School of Computer Science and Technology (School of Cyberspace Security),Xinjiang University, UrumqiXinjiang2School of Microelectronics, Fudan University, ShanghaiReceived: Sep. 16th, 2023; accepted: Oct. 16th, 2023; published: Oct. 23rd, 2023AbstractAs an important branch of symmetric ciphers, block ciphers play an important role in protecting董旭鹏 等information security; today’s mainstream block cipher algorithms include DES, AES, SMS4 and other encryption algorithms. As an encryption algorithm designed based on block cipher, the al-gorithm selects the key element in the K space of the block cipher as the replacement basis to re-place the ciphertext, and inserts the key into the ciphertext after the replacement is completed, and processes and sends all blocks and keys in the ciphertext through the function. Compared with other encryption algorithms, NAYUTA is mainly oriented to instant messaging, and uses the two-factor authentication mode of ciphertext-ciphertext verification and the two-factor hybrid mode of ciphertext-ciphertext verification, which increases the difficulty of statistical analysis of attacks and ensures the credibility and integrity of ciphertext information. For the processing functions of the two-factor authentication mode, this mode is a symmetric time-based encryption method, which makes the encryption similar to the ideal OTP (One-Time Password) encryption method. NAYUTA will now be implemented at both the software and hardware levels.KeywordsBlock Cipher, Symmetric Encryption, Cryptology, Encryption Algorithms, Information Security, One Secret at a Time, Information Content SecurityCopyright © 2023 by author(s) and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0)./licenses/by/4.0/1. 引言随着信息网络技术的发展，人们使用网络进行社会活动的现象越来越普遍，同时使用网络的人数也在不断增加，在网络不断便利人们的同时，也产生了一系列与网络安全和信息安全相关的问题[1]。

实验二：分组密码实验一、实验目的通过使用 DES 算法对实际的数据进行加密和解密来了解密码体制的原理。

二、实验要求（1）所下发程序是不完整的，请你完成程序中加密函数的第16次迭代，解密函数的第1次迭代，调试程序确保正确。

（2）用自己姓名拼音的前八个字母作为明文，学号后八位作为密文，观察实验结果，检验程序的功能是否正确。

（3）调试程序，观察并记录：L3与R2的值，阐述他们之间有何关系，并解释结果。

（4）连续点击解密按钮，观察明文输出有什么变化，并解释为什么？修改程序使连续点击解密按钮，输出的明文不会发生前面观察的现象。

（5）修改程序，使得密文以二进制码的形式输出。

（选做）三、相关知识信息加密根据采用的密钥类型可以划分为对称密码算法和非对称密码算法。

对称密码算法是指加密系统的加密密钥和解密密钥相同，或者虽然不同，但是可以从其中任意一个推导出另一个，更形象的说就是用同一把钥匙开锁和解锁。

在对称密码算法的发展历史中曾出现过多种优秀的算法，包括 DES、3DES、AES 等。

下面我们以 DES 算法为例介绍对称密码算法的实现机制。

DES 算法是美国 IBM 公司在 20 世纪 70 年代提出，并被美国政府、美国国家标准局和美国国家标准协会采纳和承认的一种标准加密算法。

它属于分组加密算法，即明文加密和密文解密过程中，信息都是按照固定长度分组后进行处理的。

混淆和扩散是它采用的两个最重要的安全特性，混淆是指通过密码算法使明文和密文以及密钥的关系非常复杂，无法从数学上描述或者统计。

扩散是指明文和密钥中每一位信息的变动，都会影响到密文中许多位信息的变动，从而隐藏统计上的特性，增加密码安全。

DES 将明文分成 64 比特位大小的众多数据块，即分组长度为 64 位。

同时用56 位密钥对 64 位明文信息加密，最终形成 64 位的密文。

如果明文长度不足 64 位，则将其扩展为 64位（例如补零等方法）。

具体加密过程首先是将输入的数据进行初始换位（IP），即将明文 M中数据的排列顺序按一定的规则重新排列，生成新的数据序列，以打乱原来的次序。

优先出版 计 算 机 应 用 研 究 第32卷--------------------------------基金项目：国家自然科学基金资助项目(61173191)；军内科研资助项目(YJJXM12033)作者简介：吴杨(1985-)，男，四川成都人，博士研究生，主要研究方向为网络协议识别(baiyanwy@)；王韬(1964-)，男，河北石家庄人，教授，博导，主要研究方向网络安全、密码学；邢萌(1990-)，女，河南濮阳人，硕士研究生，主要研究方向为网络协议识别．一种评估分组密码密文的随机性度量值分布特征的新方法吴 杨，王 韬，邢 萌，李进东(军械工程学院 信息工程系，石家庄 050003)摘 要：为评估分组密码密文的随机性度量值分布特征，在一定样本量条件下，采用码元频数检测、游程检测、块内频数检测提取分组密码密文的随机性度量值及其取值个数的分布特征，再考察固定随机性度量值区间内密文的分布均值及其方差特征，以上特征可用于实现已知密文条件下的分组密码算法识别。

关键词：分组密码；密文随机性；游程检测；块内频数检测 中图分类号：TP 309New method to evaluate distribution character of randomness test values ofciphertext from block ciphersWU Yang, W ANG Tao, XING Meng, LI Jin-dong(Dept. of Information Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang, 050003, China)Abstract: To evaluate distribution character of randomness test values of ciphertext from block ciphers, under the condition of fixed amount ciphertext samples, randomness test values and distribution of their numbers are calculated by the Frequency Test, Run Test, Frequency Test in Block. The average and variance value of ciphertext distribution is confirmed during fixed randomness value area, above characters can be used to identify block ciphers based on ciphertexts. Key Words: block cipher; randomness of Ciphertext; Run Test; Frequency Test in Block0 引言密码算法统计检测对评估算法安全性具有重要意义，广大研究者针对密码算法的统计检测技术进行了大量的研究。

第３２卷第１期北京电子科技学院学报２０２４年３月Ｖｏｌ．３２Ｎｏ．１ＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｅｉｊｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅＭａｒ．２０２４基于国产ＦＰＧＡ的可选算法引擎的密码模块实现陈雪松㊀赵海淇㊀李秀滢北京电子科技学院，北京㊀１０００７０摘㊀要：在国产ＦＰＧＡ芯片上设计并实现密码算法是服务于我国关键基础设施建设的一项举措㊂为探讨新型密码算法模块实现的可行性，基于国产ＦＰＧＡ芯片设计了一款可选算法引擎的硬件密码模块，该模块可集成于嵌入式系统中，基于ＳＰＩ接口实现了两种分组密码算法引擎的自主选择以及多组数据的一次性加解密处理㊂在此基础上，对比分析了在国产ＦＰＧＡ实现的ＳＭ４算法引擎和ｕＢｌｏｃｋ算法引擎的性能，并将ＳＭ４算法部署在国内和国外两款同档次的ＦＰＧＡ芯片上，对两种芯片的性能等方面进行对比分析㊂实验结果可知，利用国产ＦＰＧＡ芯片实现硬件密码模块具有较好的可行性，为ＦＰＧＡ的国产化替代提供一定的借鉴经验㊂关键词：国产ＦＰＧＡ；ＳＭ４；ｕＢｌｏｃｋ；可选算法；紫光同创；Ａｌｔｅｒａ中图分类号：ＴＰ９１８㊀㊀㊀文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－４６４Ｘ（２０２４）１－１２－２２∗㊀基金项目：北京市自然科学基金资助项目（４２３２０３４）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（３２８２０２３０３８，３２８２０２２６４，３２８２０２２４１）∗∗㊀作者简介：陈雪松（１９９８－），女，硕士研究生㊂研究方向：密码工程㊁物联网物理安全㊂赵海淇（１９９９－），男，硕士研究生㊂研究方向：人工智能安全㊂李秀滢（１９７５－），女（回），通信作者，硕士，副教授㊂研究方向：密码工程㊁嵌入式系统安全㊂Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｘｉｕｙｉｎｇ＠ｂｅｓ⁃ｔｉ．ｅｄｕ．ｃｎ㊀㊀引言随着我国网络数字化时代的到来，数据安全已成为突出的社会问题㊂为了保障数据的应用安全，诞生了许多以密码技术为核心的安全防护机制，进而也催生了基于软硬件设计实现的专用密码算法模块［１］㊂虽然软件实现的密码算法模块可变能力强，但其数据处理效率相对较低，而ＡＳＩＣ（专用集成电路，ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）技术形成的密码算法模块缺乏算法更换和配置的灵活性㊂比较而言，ＦＰＧＡ（现场可编程门阵列，ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）丰富的逻辑资源㊁高超的灵活性以及大吞吐量并行的工作效率，使其更加适用于密码算法模块的实现㊂所以很多实际应用中，都采用ＦＰ⁃ＧＡ实现密码模块的方案㊂目前，我国已开展了采用ＦＰＧＡ实现商用密码算法模块技术的研究，如ＳＭ３［２］㊁ＳＭ４［３］㊂也诞生了许多由我国学者自主设计研发的新型密码算法，但这些新型算法如ＴＡＮＧＲＡＭ［４］㊁ｕＢｌｏｃｋ［５］等目前仅处于单一算法引擎的应用研究阶段，少有将多个算法集合起来进行泛化应用的案例，这势必降低用户使用密码引擎的选择性，同时也没有充分发挥ＦＰＧＡ灵活性的优势㊂在同一ＦＰＧＡ芯片上利用可重构技术［６］实现多个算法引擎的复用是当前普遍受关注的解决方案㊂可重构技术在一定程度上提升了芯片逻辑资源的使用率，但同时也存在着资源下载占用时间长㊁算法配置时间消耗大的问题㊂第３２卷基于国产ＦＰＧＡ的可选算法引擎的密码模块实现㊀随着芯片集成度的快速提升，在许多低成本高资源的芯片中实现多算法并行分布也成为一种好的解决方案，它在保证逻辑资源充分利用的同时，可以极大地提升下载时长㊁缩短算法配置时间㊂另外，硬件密码算法模块实现所采用的ＦＰ⁃ＧＡ芯片，目前还主要依赖于国外的芯片，如Ｘｉｌ⁃ｉｎｘ公司的Ｖｉｒｔｅｘ系列㊁Ａｌｔｅｒａ公司的Ｃｙｃｌｏｎｅ系列等，未能在底层芯片技术上实现完全的自主可控，这在数据安全方面存在极大隐患，而从算法到芯片的全国产化才是未来密码应用发展的必然方向㊂本文基于国产ＦＰＧＡ芯片，设计并实现了一款可选算法引擎的硬件密码模块，该密码模块基于ＳＰＩ（串行外围接口，ＳｅｒｉａｌＰｅｒｉｐｈｅｒａｌＩｎｔｅｒ⁃ｆａｃｅ）接口自定义了类ＡＰＤＵ（应用协议数据单元，ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＰｒｏｔｏｃｏｌＤａｔａＵｎｉｔ），可为用户提供两种分组算法的自主选择和多组（每组１２８ｂｉｔ）数据一次性加解密处理的功能㊂本文选择的两种分组密码算法为国密算法ＳＭ４和新型分组算法ｕＢｌｏｃｋ，采用的ＦＰＧＡ芯片为紫光同创的ＰＧＬ２２Ｇ芯片㊂论文在设计模块系统方案的基础上，比较分析了两种分组算法在ＰＧＬ２２Ｇ上的性能表现以及分组算法ＳＭ４在不同ＦＰＧＡ芯片上的运行效率㊂为在国产化ＦＰＧＡ芯片上实现硬件密码系统，提供一定的可借鉴经验㊂１㊀技术介绍１ １㊀密码算法结构原理１ １ １㊀ＳＭ４密码算法ＳＭ４［７］是由国家密码管理局颁布的商用分组密码算法，当前已被ＩＳＯ／ＩＥＣ组织列为国际标准㊂ＳＭ４密码算法的加密分组长度为１２８ｂｉｔ，采用３２轮加密操作，每轮运算使用不同的轮密钥，算法结构主要包括密钥扩展单元和轮变换单元［８］㊂（１）轮变换单元ＳＭ４密码算法的一次加密运算是将一组１２８ｂｉｔ明文加密成１２８ｂｉｔ密文㊂整个加密算法由３２轮非线性迭代运算组成，一次迭代运算为一轮变换（也称轮函数），在最后一轮变换结束后输出结果（Ｘ３２，Ｘ３３，Ｘ３４，Ｘ３５），之后对其进行反序变换，最终输出密文［９］㊂每个Ｘｉ以字长（３２ｂｉｔ）为单位㊂ＳＭ４加密算法的轮变换结构如图１所示㊂其中ｉ代表第ｉ轮变换（ｉ＝０，１，２， ，３１），轮密钥是通过密钥扩展函数生成的，在每轮加密变换中使用对应的第ｉ个轮密钥ｒｋｉ㊂设轮函数的输入为（Ｘｉ，Ｘｉ＋１，Ｘｉ＋２，Ｘｉ＋３），则轮函数可表示为：Ｆ（Ｘｉ＋１，Ｘｉ＋２，Ｘｉ＋３，Ｘｉ＋４）＝Ｘｉ Ｔ（Ｘｉ＋１ Ｘｉ＋２ Ｘｉ＋３ ｒｋｉ）（１）其中，Ｔ运算由非线性Ｓ盒变换和线性移位变换组成㊂图１㊀ＳＭ４算法轮变换单元的基本结构解密运算与加密运算的算法结构相同［１０］，唯一不同之处在于解密轮变换中轮密钥反序使用，即（ｒｋ３１，ｒｋ３０， ，ｒｋ０）㊂（２）密钥扩展单元ＳＭ４密码算法轮变换单元中使用的轮密钥是通过密钥扩展算法从初始密钥中获得的［１１］㊂初始密钥的长度与明文分组长度相同，均为１２８ｂｉｔ；经过密钥扩展运算生成的轮密钥长度为３２ｂｉｔ㊂密钥扩展算法共迭代运算３２轮，每轮生成的轮密钥应用于对应轮次的加密变换㊂图２㊃３１㊃北京电子科技学院学报２０２４年所示为密钥扩展单元的算法结构㊂其中ｉ代表第ｉ轮扩展（ｉ＝０，１，２， ，３１），参数ＦＫ和ＣＫ均为指定参数不可变㊂图２㊀ＳＭ４算法密钥扩展单元的基本结构１ １ ２㊀ｕＢｌｏｃｋ密码算法ｕＢｌｏｃｋ密码算法［１２］是全国密码算法设计竞赛中的一等奖分组密码算法㊂其加解密数据分组长度和密钥长度可选１２８ｂｉｔ或２５６ｂｉｔ，分别记为ｕＢｌｏｃｋ－１２８／１２８㊁ｕＢｌｏｃｋ－１２８／２５６和ｕＢｌｏｃｋ－２５６／２５６㊂ｕＢｌｏｃｋ密码算法逻辑结构同样包括轮变换单元和密钥扩展单元，该算法在抗安全性分析㊁实现效率以及适应性上都具有较好的表现㊂为了与国密算法ＳＭ４进行对比，本文实现的ｕＢｌｏｃｋ算法为ｕＢｌｏｃｋ－１２８／１２８，即其分组长度和密钥长度均为１２８ｂｉｔ㊂（１）轮变换单元ｕＢｌｏｃｋ－１２８／１２８密码算法（以下简称ｕＢｌｏｃｋ算法）的一次加密运算是将一组１２８ｂｉｔ的明文加密成１２８ｂｉｔ的密文㊂整个加密算法由１６轮迭代运算组成，一轮迭代运算为一轮变换（轮函数），最后一轮变换后的结果Ｘ与轮密钥ＲＫ１６进行异或运算，得到最终的密文㊂ｕＢｌｏｃｋ加密算法的轮变换单元的算法结构如图３所示㊂其中，ｉ代表第ｉ轮的轮变换（ｉ＝０，１，２， ，１５），轮密钥是通过密钥扩展算法生成的，在每轮加密变换中使用对应的第ｉ个轮密钥ＲＫｉ㊂图３㊀ｕＢｌｏｃｋ算法轮变换单元的基本结构ｕＢｌｏｃｋ解密算法的轮变换结构与加密算法的基本呈逆序关系，密文与轮密钥进行异或运算后，将结果分组先进行向量置换，再进行移位变换和异或运算，最后通过Ｓ盒变换得到轮变换的结果㊂解密变换中的Ｓ盒㊁向量置换均为加密变换中Ｓ盒㊁向量置换的逆运算，移位变换为加密算法中的反向位移㊂解密变换中轮密钥ＲＫｉ倒序使用㊂（２）密钥扩展单元ｕＢｌｏｃｋ算法轮变换单元中使用的轮密钥共有１７个，具体分为初始轮密钥ＲＫ０和１６个生成轮密钥ＲＫ１ ＲＫ１６㊂将１２８ｂｉｔ的密钥Ｋ放置在寄存器中，作为初始轮密钥ＲＫ０，然后进行１６轮（ｉ＝１，２， ，１６）的密钥扩展迭代运算，每轮形成ＲＫｉ，最终形成１６个生成轮密钥㊂寄存器按公式（２）进行更新㊂Ｋ０ Ｋ１ Ｋ２ Ｋ３ѳＲＫｉ－１Ｋ０ᶄ Ｋ１ᶄѳＰＫ（Ｋ０ Ｋ１）Ｋ２ᶄѳＫ２ ＳＫ（Ｋ０ᶄ ＲＣｉ）Ｋ３ᶄѳＫ３ Ｔｋ（Ｋ１ᶄ）㊃４１㊃第３２卷基于国产ＦＰＧＡ的可选算法引擎的密码模块实现㊀ＲＫｉѳＫ２ᶄ Ｋ３ᶄ Ｋ１ᶄ Ｋ０ᶄ（２）其中，ＰＫ为１６个半字节的向量置换；ＲＣ为常数，给定值不可变；Ｓｋ为８个４比特Ｓ盒的并置；Ｔｋ为半字节模２的运算㊂（Ｋ０，Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３）由输入的轮密钥ＲＫｉ－１平分成四组构成，（Ｋ２ ，Ｋ３ ，Ｋ１ ，Ｋ０ ）为每组密钥经过运算后重新组合后形成的轮密钥ＲＫｉ㊂ｕＢｌｏｃｋ算法轮密钥扩展单元的基本结构如图４所示㊂图４㊀ｕＢｌｏｃｋ算法密钥扩展单元的基本结构２㊀可选算法模块的设计与实现２ １㊀系统结构设计本密码模块系统基于ＰＧＬ２２Ｇ为核心的ＦＰＧＡ开发平台进行设计，系统的总体结构如图５所示㊂系统由四部分组成：ＳＰＩ接口模块㊁数据包解包封包模块㊁ＳＭ４密码算法引擎以及ｕＢｌｏｃｋ密码算法引擎㊂该ＦＰＧＡ密码模块系统对外提供密码服务的接口为ＳＰＩ或ＳＱＩ（四通道ＳＰＩ接口）㊂该密码模块的应用对象主要针对的是ＭＣＵ等微处理器的主机端，本文在ＳＰＩ接口协议的基础上，又设计了类ＡＰＤＵ协议，用于两系统间的应用通信㊂主机端向ＦＰＧＡ系统下达选定算法的加解密命令ＡＰＤＵ，ＦＰＧＡ系统根据命令ＡＰＤＵ进行相应算法引擎的调度，算法引擎并行地进行加解密运算处理，并将运算结果通过ＳＰＩ接口的响应ＡＰＤＵ返回给主机端㊂图５㊀硬件密码模块的系统结构２ ２㊀ＳＭ４密码算法引擎的实现２ ２ １㊀硬件实现的设计（１）实现结构的设计本文设计的ＳＭ４密码算法引擎的硬件实现结构由输入寄存器㊁输出寄存器㊁密钥数据寄存器㊁密钥生成单元㊁轮密钥寄存器㊁ＳＭ４加解密轮函数单元㊁状态机控制器和Ｉ／Ｏ接口组成［１３，１４］㊂基本单元结构如图６所示，其中所述的寄存器都是根据实际需要定义的多比特数据存储单元㊂图６㊀ＳＭ４算法引擎的硬件实现结构图６中，密钥数据寄存器用于存储初始化数据和初始密钥，输入㊁输出寄存器用于存储待处理的输入数据和已处理的输出数据㊂多个明文分组加解密运算使用的密钥相同，所以ＳＭ４算法引擎的３２个轮密钥生成操作只进行一次，之后存储在轮密钥寄存器中，待轮变换单元加解密操作时使用㊂ＳＭ４轮变换对１２８ｂｉｔ的输入数据寄存器中的内容循环迭代运算３２轮后，完成加㊃５１㊃北京电子科技学院学报２０２４年解密运算，１２８ｂｉｔ的结果数据存储在输出寄存器中㊂状态机控制器统一控制ＳＭ４算法引擎各功能单元的工作调度转换㊂（２）状态机设计状态机是ＦＰＧＡ硬件实现的核心逻辑，本文设计的ＳＭ４算法引擎，其状态机控制器的控制逻辑主要分为Ｉｄｌｅ状态㊁ＧｅｔＲｅａｄｙ状态㊁Ｇｅｔ⁃ＫｏｒＤ０状态㊁ＧｅｔＫｏｒＤ１状态和ＧｅｔＲｅｓｕｌｔ状态，状态机转换过程如图７所示㊂图７㊀ＳＭ４算法引擎的状态机在图７中，Ｉｄｌｅ状态为空状态，用来等待外㊀㊀㊀部就绪信号，以控制状态机进入其它工作状态；ＧｅｔＲｅａｄｙ状态主要是控制向密钥数据寄存器写入初始密钥或者向输入寄存器写入明文，控制下一状态转换；ＧｅｔＫｏｒＤ０状态主要进行轮密钥扩展运算，并且将每轮生成的轮密钥存储到轮密钥寄存器中；ＧｅｔＫｏｒＤ１状态主要进行轮函数加解密运算；ＧｅｔＲｅｓｕｌｔ状态用于将最终加解密结果输出，然后重新将状态机置为Ｉｄｌｅ状态㊂２ ２ ２㊀仿真结果针对ＳＭ４密码算法引擎的硬件实现，本文利用紫光同创公司自主研发的ＰＤＳ软件和Ｍｏｄ⁃ｅｌｓｉｍ软件进行了引擎实现的仿真，仿真结果如图８所示㊂从图８中可以看出，一组１２８ｂｉｔ的数据 ｈ０１２３４５６７８９ａｂｃｄｅｆｆｅｄｃｂａ９８７６５４３２１０ 经过加密后得到密文结果 ｈ６８１ｅｄｆ３４ｄ２０６９６５ｅ８６ｂ３ｅ９４ｆ５３６ｅ４２４６ ㊂再把该密文放入算法引擎中进行解密，得到解密明文结果为 ｈ０１２３４５６７８９ａｂｃｄｅｆｆｅｄｃｂａ９８７６５４３２１０ ㊂仿真结果表明，ＳＭ４算法引擎的实现是正确的㊂图８㊀ＳＭ４算法引擎实现的仿真结果２ ３㊀ｕＢｌｏｃｋ密码算法引擎的实现２ ３ １㊀硬件实现的设计（１）实现结构的设计系统设计的ｕＢｌｏｃｋ密码算法引擎的实现结构由密钥数据寄存器㊁输入寄存器㊁输出寄存器㊁密钥生成单元㊁轮密钥寄存器㊁ｕＢｌｏｃｋ轮函数加解密单元㊁状态机控制器和Ｉ／Ｏ接口组成㊂由于本文选用的ｕＢｌｏｃｋ算法与ＳＭ４算法同为１２８ｂｉｔ的分组密码算法，且通过上述算法原理介绍可知，虽然二者在密钥扩展和轮变换单元中的运算逻辑有所不同，但算法引擎所需的功能结构基本相同，因此将其硬件实现结构与接口信号设计成一致的，具体如图９所示㊂为了实现多种算法引擎的可选操作，将各算法引擎的接口部分设计成了通用的接口信号，即在ｕＢｌｏｃｋ算法引擎中使用相同的接口信号㊂其中各信号的功能包括：ｃｌｋ为时钟信号，由系统时钟统一调度；ＫｅｙＩｎ为密钥数据输入信号（１２８ｂｉｔ），与之相匹配的ＫｅｙＲｄｙ为密钥数据准㊃６１㊃第３２卷基于国产ＦＰＧＡ的可选算法引擎的密码模块实现㊀图９㊀ｕＢｌｏｃｋ算法引擎的硬件实现结构备就绪信号，用于指示算法引擎进行轮密钥的生成工作；ＤａｔａＩｎ为待加解密数据输入信号（１２８ｂｉｔ），用于向引擎内部传输待加解密的数据，与之相匹配的ＩｎＲｄｙ为准备就绪信号，指示算法引擎开始进行加解密运算工作；ｏｐＭｏｄｅ为模式选择信号，用于指示算法引擎进行加密或解密运算；ＤａｔａＯｕｔ为加解密完成后的数据输出信号（１２８ｂｉｔ）；ＫＶｌｄ和ＯＶｌｄ是分别用来向上级模块指示密钥扩展运算完成及加解密运算完成的标志信号㊂图１１㊀ｕＢｌｏｃｋ算法引擎的仿真结果（２）状态机设计ｕＢｌｏｃｋ算法引擎的状态机控制逻辑主要包括：Ｉｄｌｅ状态㊁ＫｅｙＥｘｐ状态㊁Ｓ０状态㊁ＫｅｙＥｘｐＮｏｐ状态㊁Ｅｎｃ状态㊁Ｄｅｃ０状态㊁Ｄｅｃ１状态和ＥｎｃＤｅｃ⁃Ｎｏｐ状态，状态转换过程如图１０所示㊂图１０中，状态机控制器控制密钥扩展和加解密运算两个过程的流转㊂ＫｅｙＥｘｐ状态㊁Ｓ０状态和ＫｅｙＥｘｐＮｏｐ状态为密钥扩展要经历的３个流转状态，而Ｅｎｃ状态㊁Ｄｅｃ０状态㊁Ｄｅｃ１状态和ＥｎｃＤｅｃＮｏｐ状态为加解密运算要经历的４个流图１０㊀ｕＢｌｏｃｋ算法引擎的状态机转状态㊂㊀㊀Ｉｄｌｅ状态为空状态，主要用来等待外部就绪信号，进而控制状态机进入运算状态，并向密钥数据寄存器写入初始密钥或者向输入寄存器写入待处理的明密文数据㊂在密钥扩展过程中，ＫｅｙＥｘｐ和Ｓ０两个状态用于进行轮密钥的生成，并将生成的轮密钥存储到轮密钥寄存器中；ＫｅｙＥｘｐＮｏｐ状态为密钥扩展结束状态，其控制状态机返回Ｉｄｌｅ状态，并输出完成信号㊂在加解密运算过程中，Ｅｎｃ状态为加密运算，Ｄｅｃ０和Ｄｅｃ１状态为解密运算，在加密或解密完成后均会将结果输出到输出寄存器中；ＥｎｃＤｅｃＮｏｐ状态为运算结束状态，其控制状态机返回Ｉｄｌｅ状态，并输出完成信号㊂２ ３ ２㊀仿真结果针对ｕＢｌｏｃｋ密码算法引擎的硬件实现，本文利用ＰＤＳ软件和Ｍｏｄｅｌｓｉｍ软件进行了引擎实现的仿真，仿真结果如图１１所示㊂㊃７１㊃北京电子科技学院学报２０２４年㊀㊀从图１１中可以看到，一组１２８ｂｉｔ的数据 ｈ０１２３４５６７８９ａｂｃｄｅｆｆｅｄｃｂａ９８７６５４３２１０ 经加密后得到密文结果为 ｈ３２１２２ｂｅｄｄ０２３ｃ４２９０２３４７０ｅ１１５８ｃ１４７ｄ ，再把该密文放入算法引擎中进行解密，得到明文结果为 ｈ０１２３４５６７８９ａｂｃｄｅｆｆｅｄｃｂａ９８７６５４３２１０ ㊂仿真结果表明ｕＢｌｏｃｋ算法引擎的实现是正确的㊂２ ４㊀数据分组组包调度模块为了提升密码模块的处理速度（吞吐量），本文设计了ＦＰＧＡ系统通过ＳＰＩ接口一次可处理多组（每组１２８ｂｉｔ）的明密文数据［１５］，这里以最多处理１６组（２５６字节）的数据包为例介绍其设计思路㊂系统在密码算法引擎接口的基础上，设计了分组组包调度模块，用于对多组的数据包进行分组㊁引擎调度以及组包等操作㊂该调度模块先将ＳＰＩ接口接收的类ＡＰＤＵ中的数据段拆解成一个个１２８ｂｉｔ明密文数据分组，然后根据类ＡＰＤＵ中的命令码选择调度相应的密码算法引擎，进行数据加解密运算，最后将每组运算结果打包成结果数据包待统一输出㊂２ ４ １㊀硬件实现的设计ＦＰＧＡ中的程序块是并行执行逻辑，而本文设计的分组组包调度模块与密码算法引擎之间是一个协同顺序执行逻辑，所以将该调度模块设计成与密码算法引擎之间进行乒乓式操作的状态机结构，进而保证多组数据被正确的加解密处理㊂这里设计的分组组包调度模块的状态机工作逻辑分为ＩｄｌｅＤａｔａ状态㊁ＩｎｐｕｔＤａｔａ状态和Ｏｕｔ⁃ｐｕｔＤａｔａ状态㊂其中，ＩｄｌｅＤａｔａ状态为空状态，主要根据ＳＰＩ模块发送来的操作码初始启动密码引擎模块进行相应的操作，操作包括密钥扩展㊁加密和解密，并设置相应的状态转换信号；Ｉｎｐｕｔ⁃Ｄａｔａ状态用来进行数据包分组，每次向密码引擎模块传输一组１２８ｂｉｔ数据，密钥数据仅启动密码引擎操作一次，并标记密钥扩展完成信号量；ＯｕｔｐｕｔＤａｔａ状态用来进行数据组包，根据密码引擎模块传回的结果数据进行组包操作，并判断全部数据是否加解密完成，若完成则控制状态机返回ＩｄｌｅＤａｔａ状态，若未完成则进入ＩｎｐｕｔＤａｔａ状态继续解包并传输新一组的数据㊂状态机的具体控制逻辑如图１２所示㊂图１２㊀数据分组组包调度模块的状态机分组组包调度模块的状态机部分的算法伪码如下算法１所示㊂算法１分组组包调度信号说明：ｃｌｋ，系统时钟信号；ＩｎＲｄｙ＿ｏ，整包数据传输完成信号；ＫｅｙＲｄｙ＿ｏ，密钥数据传输完成信号；ＯＶｌｄ，一组数据运算完成信号；ＫＶｌｄ，密钥扩展完成信号㊂ａ）ａｌｗａｙｓ＠（ｐｏｓｅｄｇｅｃｌｋ）ｂｅｇｉｎｂ）㊀㊀ｃａｓｅ（工作状态）ｃ）㊀㊀㊀ＩｄｌｅＤａｔａ：㊀／／准备空状态ｄ）㊀㊀㊀ｂｅｇｉｎｅ）㊀㊀㊀㊀ｉｆ（ＩｎＲｄｙ＿ｏ）㊀㊀㊀工作状态＝ＩｎｐｕｔＤａｔａｆ）㊀㊀㊀㊀ｅｌｓｅｉｆ（ＫｅｙＲｄｙ＿ｏ）工作状态＝ＯｕｔｐｕｔＤａｔａｇ）㊀㊀㊀ｅｎｄｈ）㊀㊀㊀ＩｎｐｕｔＤａｔａ：㊀／／数据包分组状态ｉ）㊀㊀㊀ｂｅｇｉｎｊ）㊀㊀㊀㊀从输入的整包数据中选择一组数据进行加解密运算ｋ）㊀㊀㊀㊀工作状态＝ＯｕｔｐｕｔＤａｔａｌ）㊀㊀㊀ｅｎｄｍ）㊀㊀㊀ＯｕｔｐｕｔＤａｔａ：㊀／／数据组包状态ｎ）㊀㊀㊀ｂｅｇｉｎｏ）㊀㊀㊀㊀ｉｆ（ＯＶｌｄ）ｂｅｇｉｎ㊀ｐ）㊀㊀㊀㊀㊀保存一组加解密完成的数据ｑ）㊀㊀㊀㊀㊀完成一组，计数＋１ｒ）㊀㊀㊀㊀㊀ｉｆ（计数＝＝分组数量）工作状态＝ＩｄｌｅＤａｔａ㊃８１㊃第３２卷基于国产ＦＰＧＡ的可选算法引擎的密码模块实现㊀ｓ）㊀㊀㊀㊀㊀ｅｌｓｅ㊀㊀㊀㊀工作状态＝ＩｎｐｕｔＤａｔａｔ）㊀㊀㊀㊀ｅｎｄｕ）㊀㊀㊀㊀ｅｌｓｅｉｆ（ＫＶｌｄ）㊀工作状态＝ＩｄｌｅＤａｔａｖ）㊀㊀㊀ｅｎｄｗ）㊀㊀ｅｎｄｃａｓｅｘ）ｅｎｄ２ ４ ２㊀Ｄｅｂｕｇ调试在多组数据调度密码引擎进行数据处理的过程中，不同信号之间很容易产生时序不协调㊁不匹配的问题，通常这种情况用Ｍｏｄｅｌｓｉｍ仿真是解决不了问题的㊂这就需要启动ＰＤＳ开发工具中的Ｄｅｂｕｇ功能，在Ｄｅｂｕｇ中通过增加触发条件和信号观察器，来抓取程序运行中的中间结果，进而分析出时序问题，一点点修改程序，使各信号时序衔接匹配正确㊂图１３展示了数据分组组包调度模块调度ＳＭ４算法引擎进行一包数据（每组１６字节，共１６组）加密时，ＰＤＳ的ｄｅｂｕｇ调试器中的结果，对比图８中一组ＳＭ４加解密结果不难看出，分组组包调度模块能正确工作㊂图１３㊀ＰＤＳ的Ｄｅｂｕｇｇｅｒ工具中使用ＳＭ４算法引擎加密一包数据的调试结果㊀㊀在图１３中，当ｃｍｄ＿ＳＭ４为０ｘ０２时，代表加密操作命令，该信号的出现将启动算法引擎进行一包数据的加密，它也是Ｄｅｂｕｇｇｅｒ调试器数据抓取的触发条件㊂ｓｔａｒｔ＿ｆｌａｇ＿ｒｏｕｎｄ为一组（１６字节）数据加解密的启动信号，高有效；ｒｏｕｎｄ＿ｏｖｅｒ为一组数据加解密完成信号，高有效㊂ｃｎｔ为处理的数据组数计数器，ｐＫｅｙ为轮密钥，ｔｅｍｐｏｕｔ为加密结果暂存寄存器㊂３㊀密码算法引擎的性能分析㊀㊀本文设计的硬件密码模块主要依托的是型号为ＰＧＬ２２Ｇ－６ＦＢＧ２５６的国产ＦＰＧＡ㊂本小节首先介绍ＰＧＬ２２Ｇ与国内外其他型号芯片的资源对比㊂其次分析使用的两款密码算法在ＰＧＬ２２Ｇ上的运行效果㊂最后，为了更好的分析国内和国外ＦＰＧＡ的性能差异，分别在实验室所使用的国内㊁国外两款ＦＰＧＡ芯片上进行了以ＳＭ４算法引擎为例的性能比较㊂３ １㊀ＰＧＬ２２Ｇ资源对比ＰＧＬ２２Ｇ［１６］是紫光同创Ｌｏｇｏｓ系列的ＦＰＧＡ器件，面向工业控制市场的需求，ＰＧＬ２２Ｇ提供了丰富的片上时钟和ＲＡＭ资源以及乘法器，支持ＬＶＤＳ差分标准㊁ＭＩＰＩ接口标准以及丰富的用户Ｉ／Ｏ，并集成了１０６６Ｍｂｐｓ硬核ＤＤＲ３和硬核ＡＤＣ等资源㊂正是源于该芯片丰富的资源和高性能的运算速度，非常适合用于构建性能要求较高的密码算法硬件模块，目前已被许多具有技术创新和国产自主可控需求的中国系统设备厂商采用㊂如表１所示，挑选了几款与ＰＧＬ２２Ｇ性能相近的芯片进行比较㊂分别是国产高云公司的ＧＷ２Ａ－１８系列芯片和美国ＸＩＬＩＮＸ公司的Ｓｐａｒ⁃ｔａｎ－６系列芯片㊂由于后续３ ３节中会对ＰＧＬ２２Ｇ和Ａｌｔｅｒａ公司ＣｙｃｌｏｎｅⅣＥ系列的ＥＰ４ＣＥ７５Ｆ２９Ｃ６芯片进行算法实现上的比较，因此表中还添加了该芯片的资源数据㊂从表１中数据可知，ＰＧＬ２２Ｇ的资源情况在完全满足本文设计的硬件密码模块的各项要求的情况下，其价格最优㊂㊃９１㊃北京电子科技学院学报２０２４年表１㊀芯片资源对比芯片厂商紫光同创高云ＸＩＬＩＮＸＡＬＴＥＲＡ型号ＰＧＬ２２ＧＧＷ２Ａ－１８ＸＣ６ＳＬＸ１６ＥＰ４ＣＥ７５工艺４０ｎｍ５５ｎｍ４５ｎｍ６０ｎｍ内核电压１ １Ｖ１ ０Ｖ１ ０Ｖ１ ０ＶＬＵＴ６ ９，１１２ （等效）ＬＵＴ５１７，５３６ １８，２２４ （等效）ＬＵＴ４２１，０４３２０，７３６２１，８６９７５，４０８分布式ＲＡＭ７１Ｋｂｉｔ４１Ｋｂｉｔ１３６Ｋｂｉｔ２，７４５ＫｂｉｔＰＬＬ６４２４ＩＯＢＡＮＫ６８４８单芯片价格７０元１６０元９８元１５８元㊀㊀注：１个ＬＵＴ６等效于２个ＬＵＴ５，１个ＬＵＴ５等效于１ ２个ＬＵＴ６３ ２㊀ＰＧＬ２２Ｇ芯片上的性能分析表２记录了两种算法引擎在ＰＧＬ２２Ｇ上运行时的逻辑资源使用情况㊂两种算法选取的数据分组和密钥长度均为１２８ｂｉｔ，Ｉ／Ｏ端口的设计基本相同，因此两种算法引擎的Ｉ／Ｏ端口使用量皆为３９０㊂而从ＬＵＴ和寄存器使用情况来看，ｕＢｌｏｃｋ的使用量基本是ＳＭ４的２ ５倍㊂表２㊀ＰＧＬ２２Ｇ芯片的逻辑资源使用情况算法ＴｏｔａｌＬＵＴｓＴｏｔａｌＲｅｇｉｓｔｅｒｓＩ／ＯＰｏｒｔｓＳＭ４１４２０１３２６３９０ｕＢｌｏｃｋ３４９１２７３６３９０表３中记录了两种算法工作时的最大时钟频率及相应吞吐量㊂测试方法为事前生成加解密过程中需要的轮密钥，然后使用该组轮密钥一次性将一包数据（２５６字节）进行加解密处理，再根据定义［１７］：吞吐量（率）＝处理的比特数／所用秒数，计算出密码引擎的吞吐量㊂从结果可知，ＳＭ４工作的最大时钟频率约为ｕＢｌｏｃｋ的２倍，但ｕＢｌｏｃｋ吞吐量却比ＳＭ４高出约３０Ｍｂｉｔ／ｓ，这说明ｕＢｌｏｃｋ的工作效率更高㊂分析这一现象的主要原因在于两种算法在加解密过程中的迭代运算轮数不同，ＳＭ４加密一组数据需迭代３２轮，即需要３２个时钟周期才能完成一次加密操作，而ｕＢｌｏｃｋ的迭代运算轮数为１６，ＦＰＧＡ是典型的并行处理逻辑单元，运算轮数对速度起决定作用㊂表３㊀算法性能分析ＦＰＧＡ芯片算法模块最大时钟频率吞吐量ＰＧＬ２２ＧＳＭ４２２６ ５０１ＭＨｚ９０６Ｍｂｉｔ／ｓＰＧＬ２２ＧｕＢｌｏｃｋ１１７ ３９８ＭＨｚ９３９Ｍｂｉｔ／ｓ３ ３㊀两种芯片上的性能对比选取中国紫光同创公司研发的Ｌｏｇｏｓ系列ＰＧＬ２２Ｇ芯片与美国Ａｌｔｅｒａ公司ＣｙｃｌｏｎｅⅣＥ系列的ＥＰ４ＣＥ７５Ｆ２９Ｃ６芯片进行对比分析㊂两款芯片都属于当前市面上中低端ＦＰＧＡ芯片，芯片资源对比已在前文中给出㊂本文在两款芯片上对ＳＭ４算法引擎的实现进行了仿真㊂表４记录了ＳＭ４算法引擎在两款ＦＰＧＡ芯片上的资源使用情况㊂ＰＧＬ２２Ｇ器件中的逻辑单元为ＬＵＴ５㊂ＥＰ４ＣＥ７５Ｆ２９Ｃ６器件使用的逻辑单元为ＬＵＴ４㊂由文献［１６］可知ＰＧＬ２２Ｇ中使用的每个ＬＵＴ５等效为１ ２个ＬＵＴ４㊂通过计算可知，本文设计的ＳＭ４算法引擎在紫光同创芯片上使用了约１７０４个ＬＵＴ４㊂结合表中ＬＵＴ单元㊁寄存器单元和Ｉ／Ｏ端口的使用数量可知，紫光芯片的逻辑单元使用量少于Ａｌｔｅｒａ芯片，其它资源的使用情况大致相同㊂表４㊀ＳＭ４逻辑资源使用情况ＦＰＧＡ芯片ＴｏｔａｌＬＵＴｓＴｏｔａｌＲｅｇｉｓｔｅｒｓＴｏｔａｌｐｉｎｓ紫光ＰＧＬ２２Ｇ１７０４（ＬＵＴ５折算为ＬＵＴ４）１３２６３９０ＡｌｔｅｒａＥＰ４ＣＥ７５Ｆ２９Ｃ６２０００（ＬＵＴ４）１３４４３９０根据文献［１７］吞吐量计算公式可以得到密码算法的吞吐量计算方法，具体如公式（３）所示㊂吞吐量＝分组数据长度ˑ最大时钟频率迭代运算轮数（３）表５记录了ＳＭ４算法在两款芯片上工作的最大时钟频率和相应吞吐量的对比㊂从表中结果可知，在算法的相同工作模式（ＥＣＢ模式）下，紫光芯片工作的最大时钟频率是Ａｌｔｅｒａ芯片的１ ７６倍㊂由于所使用的ＳＭ４算法分组长度为１２８ｂｉｔ，加解密迭代轮数为３２轮，根据公式（３）计算可知，紫光芯片运行ＳＭ４算法的吞吐量同㊃０２㊃第３２卷基于国产ＦＰＧＡ的可选算法引擎的密码模块实现㊀样是Ａｌｔｅｒａ芯片的１ ７６倍㊂这说明本文设计的ＳＭ４算法引擎在紫光芯片上的工作效率略高于Ａｌｔｅｒａ芯片㊂表５㊀ＳＭ４算法性能分析ＦＰＧＡ芯片最大时钟频率吞吐量紫光ＰＧＬ２２Ｇ２２６ ５ＭＨｚ９０６Ｍｂｉｔ／ｓＡｌｔｅｒａＥＰ４ＣＥ７５Ｆ２９Ｃ６１２８ ５ＭＨｚ５１４Ｍｂｉｔ／ｓ综合上述分析情况可知，在逻辑资源使用相近的情况下，紫光ＰＧＬ２２Ｇ芯片的吞吐量更大㊂说明紫光ＰＧＬ２２Ｇ芯片在硬件密码模块实现上比Ａｌｔｅｒａ的ＥＰ４ＣＥ７５Ｆ２９Ｃ６芯片更有优势㊂４㊀结论㊀㊀本文设计了一个可选算法引擎的硬件密码模块ＦＰＧＡ实现方案㊂该密码模块由基于ＳＰＩ（ＳＱＩ）接口的自定义通信协议㊁ＳＭ４和ｕＢｌｏｃｋ密码算法引擎以及基于数据分组的组包调度模块组成，实现了两种密码算法自主选择㊁一次性加解密处理多组数据的高性能硬件密码模块㊂在后续应用中可根据引擎的接口配置，自主扩展其它分组密码算法，具有一定的普适性和可扩展性㊂本论文在密码模块设计实现的基础上，基于国产ＦＰＧＡ平台进一步讨论了实现的两种算法引擎的性能差异，以及不同ＦＰＧＡ芯片的性能差异㊂通过实验分析可知，对于分组长度和密钥长度均为１２８ｂｉｔ的两种分组算法引擎来说，在ＰＧＬ２２Ｇ芯片上ＳＭ４算法引擎的资源使用要略少于ｕＢｌｏｃｋ算法引擎，而ｕＢｌｏｃｋ算法引擎的工作效率略高于ＳＭ４算法㊂此外，ＳＭ４算法引擎实现在国产ＰＧＬ２２Ｇ芯片与国外产ＥＰ４ＣＥ７５Ｆ２９Ｃ６芯片上的测试结果说明，在国产ＰＧＬ２２Ｇ芯片上实现的硬件密码模块实现，其性能高于在国外产的ＥＰ４ＣＥ４０Ｆ２９Ｃ６芯片上的实现㊂这在一定程度上表明，推广ＦＰＧＡ芯片国产化替代的可行性㊂在多组数据的加解密运算效率上，本文方案还有提升空间㊂可以根据算法的工作模式设计多级流水线结构，进而实现多组数据的同时加解密处理，这不仅会提高多组数据之间的运算效率，还可以极大程度上提高片内资源的使用效率㊂如何提高多组数据的运算效率将成为后续进一步研究的方向㊂参考文献［１］㊀王剑锋，张应辉，马华．浅谈密码学与信息安全［Ｊ］．西安文理学院学报（自然科学版），２０２０，２３（１）：３４－３６．［２］㊀郑佳乐，韩跃平，唐道光．ＦＰＧＡ平台ＳＭ３密码杂凑算法的优化设计［Ｊ］．单片机与嵌入式系统应用，２０２３，２３（０５）：３３－３６＋３９．［３］㊀赵保磊，范玉进，张建军等．基于ＦＰＧＡ的多秘钥ＳＭ４加解密模块设计［Ｃ］／／天津市电子学会．第三十六届中国（天津）２０２２ＩＴ㊁网络㊁信息技术㊁电子㊁仪器仪表创新学术会议论文集．２０２２：２４６－２４８．［４］㊀王建新，许弘可，郑玉崝等．基于ＦＰＧＡ的ＴＡＮＧＲＡＭ分组密码算法实现［Ｊ／ＯＬ］．计算机应用研究，１－７［２０２４－０１－０７］．ｈｔ⁃ｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０ １９７３４／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－３６９５ ２０２３ ０４ ０１９０．［５］㊀吴文玲，张蕾，郑雅菲等．分组密码ｕＢｌｏｃｋ［Ｊ］．密码学报，２０１９，６（０６）：６９０－７０３．［６］㊀陈翔宇．基于ＦＰＧＡ的多算法可重构加解密系统的设计［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２０２０．［７］㊀ＪｉｎｔａｏＲ，ＺｈｅＣ．ＣｈｏｓｅｎＰｌａｉｎｔｅｘｔＣｏｍｂｉｎｅｄＡｔｔａｃｋａｇａｉｎｓｔＳＭ４Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅｓ，２０２２，１２（１８）：９３４９．［８］㊀ＡｌｉｆＡＺ，Ａ．Ｈ．Ａ，ＦａｒｉｄａＲ，ｅｔａｌ．Ｓｙｓｔｅｍ⁃ａｔｉｃｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｒｅｖｉｅｗ：Ｔｒｅｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｂｌｏｃｋｃｉｐｈｅｒ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＫｉｎｇＳａｕｄＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ－ＣｏｍｐｕｔｅｒａｎｄＩｎｆｏｒ⁃㊃１２㊃。

分组密码算法几种分析模型的研究分组密码算法是保证当今网络空间中信息私密性的一类重要的密码算法,密码设计与密码分析是研究分组密码算法的两个主要方面,两者相辅相成,不断推动对称密码算法体系的发展。

本文主要研究分组密码算法的安全性分析方法,对几类重要的分析模型的攻击过程或者是攻击使用的区分器进行改进。

具体研究的分析模型包括线性分析、多维线性分析、多维零相关线性分析、不可能差分分析、零相关分析以及积分分析,相关工作为(1)改进了卡方法多维线性分析模型以及多维零相关线性分析模型的攻击过程;(2)将动态密钥猜测技术引入到面向比特的分组密码算法的线性分析模型中并对Simon进行了改进的线性分析,有效的降低了攻击的时间复杂度;(3)对不可能差分区分器、零相关区分器、积分区分器之间的关系进行了进一步研究,提出了零相关区分器向积分区分器转化的一般方法,并建立了 Feistel-type算法不可能差分区分器与零相关区分器之间更有效的等价条件。

·改进卡方法多维线性分析以及多维零相关分析模型:多维线性分析和多维零相关线性分析是攻击分组密码算法的两种重要的分析模型,在使用卡方法的多维线性分析模型中(或者多维零相关线性分析模型),用来区分正确密钥和错误密钥的统计数是从多维区分器的概率分布情况计算得出。

而在本文中,我们提出了一种计算统计数更简单的方法:在随机的明文空间下,从多维(零相关)线性路线的试验的相关系数出发,计算最终的统计数。

这样,可以省掉计算概率分布的过程,如果在计算每条路线相关系数的时候,将FFT技术引入的话,可以降低distillation阶段的时间复杂度。

为了说明我们新模型的有效性,我们使用多维零相关线性分析方法对具有双射轮函数且模加(或异或)轮密钥的Feistel结构进行了一般性攻击,对于模加密钥的情况,我们的结构攻击在轮数上是最优的;我们还分析了 CAST-256,将其多维零相关分析结果从28轮扩展到了 29轮,改进了一轮攻击,虽然与已有的29轮多重零相关分析结果具有相近的复杂度,但是我们的攻击对区分器没有独立假设,是在无假设条件下最优的攻击结果。

密码学原理S盒的线性逼近◆考虑一个S盒πs:{0,1}m→{0,1}n，具有m重输入X=(x1,x2,...,x m)和n重输出Y=(y1,y2,...,y n)。

从X和Y中任意选择若干比特通过异或运算构成一个随机变量◆计算该随机变量的概率当(y1,y2,...,y n) ≠πs(x1,x2,...,x m) 时，Pr[Y1=y1, Y2=y2, …,Y n=y n | X1=x1, X2=x2, …,X m=x m]=0 Pr[X1=x1, X2=x2, …,X m=x m]=2-m则Pr[X1=x1, X2=x2, …,X m=x m ,Y1=y1, Y2=y2, …,Y n=y n]= 0当(y1,y2,...,y n) =πs(x1,x2,...,x m) 时， Pr[Y1=y1, Y2=y2, …,Y n=y n | X1=x1, X2=x2, …,X m=x m]= 1则Pr[X1=x1, X2=x2, …,X m=x m ,Y1=y1, Y2=y2, …,Y n=y n]= 2-mS盒线性逼近x 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F y=πs(x) E 4 D 1 2 F B 8 3 A 6 C 5 9 0 7X1 X2 X3 X4 Y1 Y2 Y3 Y40 0 0 0 1 1 1 00 0 0 1 0 1 0 00 0 1 0 1 1 0 10 0 1 1 0 0 0 10 1 0 0 0 0 1 00 1 0 1 1 1 1 10 1 1 0 1 0 1 10 1 1 1 1 0 0 01 0 0 0 0 0 1 11 0 0 1 1 0 1 01 0 1 0 0 1 1 01 0 1 1 1 1 0 01 1 0 0 0 1 0 11 1 0 1 1 0 0 11 1 1 0 0 0 0 01 1 1 1 0 1 1 1偏差取值于{0,1}上的随机变量X，取值为0的概率为p，则取值为1的概率为1-p，X的偏差定义为X1⊕X4⊕Y2Pr[X1⊕X4⊕Y2=0]=1/2偏差为0X3⊕X4⊕Y1⊕Y4Pr[X3⊕X4⊕Y1⊕Y4=0]=1/8偏差为-3/8堆积引理◆堆积引理：设是取值于{0,1}上的独立随机变量，他们相应的偏差依次为，定义随机变量，用表示其偏差，则有：◆推论设是取值于{0,1}上的独立随机变量，表示随机变量的偏差，若对某j，有，则。

分组密码攻击模型的构建和自动化密码分析随着物联网时代向万物互联时代的不断推动,互联网为生活方方面面带来便利的同时,网络安全问题也在新形势下面临新的挑战。

作为保障网络安全的基石,密码在安全认证、加密保护和信息传递等方面发挥了十分重要的作用。

与公钥密码体制相比,对称密码算法由于效率高、算法简单、适合加密大量数据的优点应用更为广泛。

基于这一事实,对分组密码算法分析与设计的研究在新环境下显得尤为重要。

本文围绕分组密码攻击模型的构建和自动化密码分析这一主题展开。

首先,在攻击模型构建方面,我们提出了卡方多重/多维零相关线性分析模型,并将该模型用于一系列算法的多重和多维零相关分析中。

其次,针对自动化密码分析,我们一方面着眼于攻击路线的自动化搜索问题,另一方面试图借助自动化思想解决密码学中的理论问题。

在路线自动化搜索方面,我们给出了基于MILP方法对具有复杂线性层的算法和ARX类算法搜索比特级分离特性的模型,使用新方法对一系列算法关于积分分析的抵抗性进行了评估。

构建了基于SAT方法ARX类算法比特级分离特性的自动化搜索工具和基于SMT方法自动化搜索字级分离特性的新工具,完善了分离特性自动化搜索框架。

在自动化解决理论问题方面,讨论了差分分析中的差分聚集现象,对两个算法给出了更加精确的差分分析。

最后,我们对SIMON算法的所有版本给出了零相关攻击结果。

具体结果如下。

给出了基于SAT方法自动化搜索并分析带S盒算法差分闭包的工具:为了填补SAT方法在搜索差分闭包方面的空白,我们给出了基于SAT问题的差分闭包自动化搜索工具。

首先,我们给出对线性层和由多个小S盒构成的非线性层的刻画。

随后,给出了目标函数的SAT模型,这使得我们可以实现在固定权重下差分特征的搜索。

最后,给出了搜索差分闭包中多条路线的方法。

这一自动化搜索方法在对LED64算法和Midori64算法的分析中发挥了十分重要的作用。

对于LED64算法,我们提出了一种自动化搜索差分闭包正确对的方法。

分组密码的分析技术分组密码的分析技术概述分组密码是一种常见的密码体制，广泛应用于信息安全领域。

分组密码通过将明文分成固定长度的块，并对每个块进行独立的加密操作来保证数据的安全性。

然而，分组密码算法也存在一些安全隐患，因此研究和分析分组密码的攻击技术显得尤为重要。

本文将介绍几种常见的分组密码分析技术，包括差分攻击、线性攻击和差分线性攻击。

差分攻击差分攻击是一种常见的密码分析技术，广泛应用于分组密码中。

其基本思想是通过改变输入明文的差分而观察输出密文的差分，并从中获得有关密钥的信息。

差分攻击主要包含以下几个步骤： 1. 选择明文对：攻击者首先要选择一对特定的明文对，并计算它们之间的差分。

2. 计算密文对的差分：对于所选择的明文对，通过分组密码算法计算它们的密文对，并计算出对应的差分。

3. 统计差分出现的频次：攻击者会收集大量的明文对并计算它们的对应差分出现的频次。

4. 推测密钥：通过分析差分出现的频次，攻击者可以根据统计结果逐渐推测出密钥的一部分或全部。

差分攻击的关键在于选择合适的明文对和统计密文的差分频次。

通过统计分析，攻击者可以根据密文的差分出现频次来推测分组密码的密钥，从而破解密码。

线性攻击线性攻击是另一种常见的分组密码分析技术，旨在揭示分组密码的结构和内在规律。

其基本思想是构造一个线性近似特性，并通过统计分析来寻找与线性近似特性相关的密钥位。

线性攻击主要包含以下几个步骤：1. 选择明文对和密文对：攻击者首先会选择一组明文对和对应的密文对。

2. 构造线性近似特性：通过对选择的明文对和密文对进行统计分析，攻击者会尝试构造一个线性方程来描述它们之间的关系。

3. 统计出现频次：根据构造的线性近似特性，攻击者可以通过统计明文对和密文对的差分出现的频次，从而获得线性近似特性对应的发生概率。

4. 推测密钥位：通过统计结果，攻击者可以根据线性近似特性和密文的差分出现频次来推测分组密码的密钥位。

线性攻击的关键在于构造合适的线性近似特性和对应的线性方程。

2009年7月Journal on Communications July 2009 第30卷第7期通信学报V ol.30No.7分组密码算法的自相关检测参数选择范丽敏1,2, 冯登国1, 周永彬1（1. 中国科学院软件研究所信息安全国家重点实验室，北京 100190；2. 中国科学院研究生院，北京 100039）摘要：自相关检测是一种用以检测一个长度为n的二元序列与其左移d位后序列的关联程度的随机性检测算法。

d的选择范围很大,对所有参数逐一进行检测不现实，需要研究检测参数之间的关系。

定义了检测参数之间可能存在的3种关系，以分组长度为m的分组密码随机性检测为对象，综合考虑分组密码和自相关检测的特点，利用统计实验研究了自相关检测参数子集D={1,2,m/4,m/2,3m/4,m,2m}中参数的关系。

研究结果表明，对分组密码进行自相关检测时，检测参数应该首选d=m。

该方法和结果为研究其他类型密码算法的随机性检测参数选择提供了新思路。

关键词：信息安全；分组密码；统计检测；自相关检测；参数选择中图分类号：TP309.7 文献标识码：B 文章编号：1000-436X(2009)07-0086-05Parameter selection of autocorrelation test for block ciphersFAN Li-min1,2, FENG Deng-guo1, ZHOU Yong-bin1(1. State Key Laboratory of Information Security，Institute of Software ,Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)Abstract: Autocorrelation test was a statistical test to evaluate the correlation between one sequence and the corresponding non-cyclic left-shifted d bits sequence. It was impractical to adopt all the values of d since its range was often very wide.Three relations between parameters of randomness test were defined firstly. Then the relationships among the subclass D={1,2,m/4,m/2,3m/4,m,2m}of autocorrelation test for block cipher were studied by statistical experiments, where m was block length. The experiments show that the prefer choice of parameter d is m when doing autocorrelation test for block cipher. The method is also available for parameter selection of other randomness test for other types of cryptosystem.Key words: information security; block cipher; statistical test; autocorrelation test; parameter selection1引言一个好的密码算法应该能够保证其输出序列的随机性，使得该密码产生的输出序列在统计上难以与真随机序列区别开来。

分组密码算法的自相关检测参数选择范丽敏;冯登国;周永彬【期刊名称】《通信学报》【年(卷),期】2009(030)007【摘要】自相关检测是一种用以检测一个长度为n的二元序列与其左移d位后序列的关联程度的随机性检测算法.d的选择范围很大,对所有参数逐一进行检测不现实,需要研究检测参数之间的关系.定义了检测参数之间可能存在的3种关系,以分组长度为m的分组密码随机性检测为对象,综合考虑分组密码和自相关检测的特点,利用统计实验研究了自相关检测参数子集D={1,2,m/4,m/2,3m/4,m,2m}中参数的关系.研究结果表明,对分组密码进行自相关检测时,检测参数应该首选d=m.该方法和结果为研究其他类型密码算法的随机性检测参数选择提供了新思路.%Autocorrelation test was a statistical test to evaluate the correlation between one sequence and the corresponding non-cyclic left-shifted d bits sequence. It was impractical to adopt all the values of d since its range was often very wide.Three relations between parameters of randomness test were defined ftrstly. Then the relationships among the subclassD={1,2,m/4,m/2,3m/4,m,2m}of autocorrelation test for block cipher were studied by statistical experiments, where m was block length. The experiments show that the prefer choice of parameter d is m when doing autocorrelation test for block ci-pher. The method is also available for parameter selection of other randomness test for other types of cryptosystem.【总页数】5页(P86-90)【作者】范丽敏;冯登国;周永彬【作者单位】中国科学院,软件研究所,信息安全国家重点实验室,北京,100190;中国科学院,研究生院,北京,100039;中国科学院,软件研究所,信息安全国家重点实验室,北京,100190;中国科学院,软件研究所,信息安全国家重点实验室,北京,100190【正文语种】中文【中图分类】TP309.7【相关文献】1.基于FPGA的FESH分组密码算法高速实现 [J], 王建新;周世强;肖超恩;张磊2.ANT系列分组密码算法的FPGA高速实现 [J], 王建新;刘芮安;肖超恩;张磊3.基于MLP神经网络的分组密码算法能量分析研究 [J], 王恺;蔡爵嵩;严迎建4.基于混沌的双模块Feistel结构高安全性高速分组密码算法安全性分析 [J], 杜小妮;段娥娥;王天心5.RAIN:一种面向软硬件和门限实现的轻量分组密码算法 [J], 曹梅春;张文英;陈彦琴;邢朝辉;吴磊因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于模糊评价的分组密码随机性评估模型范丽敏;冯登国;周永彬【期刊名称】《计算机研究与发展》【年(卷),期】2008(45)12【摘要】检测评估是研究密码算法安全性的重要技术手段.随机特性是其中重要而实用的测评内容.针对密码算法的随机性,已有多种不同的检测方法,但是对繁杂的随机性检测结果,尚不存在一个完整实用的量化评估体系和模型.选择分组密码为实例,研究了对密码算法随机性的量化评估.根据分组密码的设计准则,提出一个分组密码随机性的评估指标体系,以模糊多准则决策为基础给出了一个实用的分组密码随机性评估模型.该模型采用模糊数学中的隶属度函数方法,对随机性检测结果进行模糊化处理,能够反映出随机性的连续和渐变特点,有效解决了单纯的阈值方法造成的评估信息丢失问题.该模型的优点是实现了对分组密码随机性的量化评估,为密码算法的综合评估提供基础.同时,给出了对单个指标和属性的通用的评估流程,因此,该模型也可稍加修改和扩展.应用于其他类型密码算法的随机性评估中.【总页数】7页(P2095-2101)【作者】范丽敏;冯登国;周永彬【作者单位】中国科学院软件研究所信息安全国家重点实验室,北京,100190;中国科学院研究生院,北京,100049;中国科学院软件研究所信息安全国家重点实验室,北京,100190;中国科学院软件研究所信息安全国家重点实验室,北京,100190【正文语种】中文【中图分类】TP309【相关文献】1.基于模糊评价法的剧场文化影响力评价模型研究——文化部科技提升计划课题:中国剧场使用后评估(POE)体系研究报告之四 [J], 彭相国;王凤2.基于模糊评价方法的航天器总装过程产品安全性评估模型研究 [J], 赵书萍;刘宏阳;孙刚;万毕乐;刘智斌3.基于变压器马尔可夫状态评估模型和熵权模糊评价方法的风险评估技术研究 [J], 张桦;魏本刚;李可军;梁永亮4.基于模糊评价和AHP的综合评估模型 [J], 林娜5.基于模糊评价模型的辽阳市水资源承载能力综合评估 [J], 孙海波因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。