常见的分组密码算法

常熟理工学院学报（自然科学）JournalofChangshuInstituteTechnology（NaturalSciences）第26卷第8Vol.26No.82012年8月Aug.,2012

收稿日期：2012-6-25

基金项目：常熟理工学院青年教师科研启动基金资助项目“802.1x无线网络安全架构的性能分析”（KYZ2010136Z）

作者简介：梁海华（1981—），男，江苏南通人，讲师，硕士，研究方向：计算机数据通信、网络安全.分组密码算法演示平台的设计与实现

梁海华，李克清，盘丽娜

（常熟理工学院计算机科学与工程学院，江苏常熟215500）

摘要：介绍了对称密码体制中分组密码的算法原理、性质.基于VisualC#设计并实现了分

组密码算法的可视化演示平台.该平台不仅显示了分组密码的总体框架结构，而且动态显示每一

阶段的明文与密文变换过程，使分组密码的复杂迭代过程更容易被理解.

关键词：分组密码；VisualC#；可视化演示

中图分类号：TP393.08文献标识码：A文章编号：1008-2794（2012）08-0099-04

随着计算机和Internet技术的普及，网络通信已经渗透到社会的各个方面，信息安全问题已经受到人们

极大的关注[1].密码学是保障信息安全的核心技术，应用涉及军事、国防、商贸以及人们日常生活的各个方

面.分组密码以其高效率、低开销、实现简单和易于标准化等特点在现代密码学研究中占据重要地位.DES（DataEncryptionStandard）算法是1977年由美国国家标准局颁布的标准，用于商业和非机密的政

府应用领域的加密.2000年10月，美国国家标准技术研究所在综合考虑了安全性、性能效率和灵活性的基

础上，将分组密码Rijndael算法确定为高级加密标准（AES），取代广泛使用了20多年的数据加密标准

（DES）.2006年，SMS4算法作为中国无线局域网安全标准WAPI的重要组成部分被提出，它是国内官方公布

ＫＳ分组密码算法的流水线实现　

许萍李援南　（北京电子科技学院通信工程系，北京１０００７０）　Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｐ＠ｂｅｓｔｉ．ｅｄｕ．ｃｎ　

摘要论文首先介绍了自行设计的ＫＳ分组密码算法，然后详细分析了该算法的高速流水线实现方法。用Ｓｔｒａｔｉｘ系列　ＦＰＧＡ实现ＫＳ加密算法时。其加密速度可达到１２．１０Ｇｂｉｔ／ｓ。　关键词ＫＳ分组密码算法　流水线　加密算法　文章编号１００２—８３３１一（２００６）０９—０１２６—０３　文献标识码Ａ　中国分类号ＴＰ３０９　

Ａ　Ｐｉｐｅｌｉｎｅｄ　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＫＳ　Ｂｌｏｃｋ　Ｃｉｐｈｅｒ　Ｘｕ　Ｐｉｎｇ　Ｌｉ　Ｙｕａｎｎａｎ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢＥＳＴＩ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００７０）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａ　ｎｅｗ　１２８一ｂｉｔ　ｂｌｏｃｋ　ｃｉｐｈｅｒ　ｃａｌｌｅｄ　ＫＳ．Ａ　Ｐｉｐｅｌｉｎｅｄ　ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＫＳ　ｉｓ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＫＳ．Ｉｔｓ　ｄａｔａ　ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｂｅ　ｄｏｎｅ　ａｔ　ａ　ｒａｔｅ　１２．ｔＯ　Ｇｂｉｔｓ／　８ｅｃ　ｕｓｉｎｇ　Ｓｔｒａｔｉｘ　ＦＰＧＡ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ￣ＫＳ　ｂｌｏｃｋ　ｃｉｐｈｅｒ，ｐｉｐｅｌｉｎｅ，ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ　ａｌｇｒｉｔｈｍｓ　

１　引言　１９９７年１月２日，美国国家标准技术研究所（ＮＩＳＴ）准备　开发高级加密标准（ＡＥＳ）。经过两轮评估，从最初收集到的１５　个提交算法中选出ＭＡＲ，￣’１，ＲＣ＠，Ｒｉｊｎｄａｅｌ￣，Ｓｅｒｐｅｎｔ￣ＴｗｏｆｉｓｈＩ￣　５个候选算法，最后于２０００年１０月确定由比利时人设计的　Ｒｉｊｎｄａｅｌ算法为高级加密标准（ＡＥＳ）。在对５个候选算法进行　’　研究及ＦＰＧＡ测试后，发现异或（ＸＯＲ）、模２一加法、固定移位、　置换这些算法都是ＦＰＧＡ容易实现的运算。因此，本文设计的　ＫＳ分组算法主要包括了这４种运算。　

第４４卷第３期　２０１７年３月　计算机科学　ＣＯＭＰＵＴＥＲ　ＳＣＩＥＮＣＥ　Ｖｏ１．４４　Ｎｏ．３　Ｍａｒ．２０１７　

基于Ｆｅｉｓｔｅｌ结构的超轻量级分组密码算法（ＰＦＰ）　

黄玉划　，ｓ　代学俊　时阳阳　刘宁钟　曾庆喜。　苏菲。　

（南京航空航天大学计算机科学与技术学院　南京２１１１０６）　

（南京航空航天大学能源与动力学院　南京２１００１６）　（苏州中科启慧软件技术有限公司　苏州２１５５００）。　

摘要　面向无线终端资源受限环境对加密算法的应用需求，借鉴ＰＲＥＳＥＮＴ算法的设计思想，采用Ｆｅｉｓｔｅｌ结构，并　

修改扩散层的Ｐ置换，设计了一种超轻量级分组密码算法ＰＦＰ。其硬件实现需要１３５５ＧＥ，优于ＰＲＫＳＥＮＴ算法，满足资　

源极端受限环境的需求（２ＯＯＯＧＥ以下）。速度测试结果表明，ＰＦＰ算法的软件实现效率约为ＰＲＥＳＥＮＴ算法的１．５倍。　

依赖性测试、线性分析、差分分析、不可能差分分析和密钥编排攻击表明，ＰＦＰ算法满足轻量级分组密码的安全需求。　

关键词轻量级分组密码，Ｆｅｉｓｔｅｌ结构，ＰＲＥＳＥＮＴ算法，依赖性测试，密码分析　

中图法分类号ＴＰ３Ｏｇ，ＴＮ９１８　文献标识码Ａ　ＤＯＩ　１０．１１８９６／ｊ．ｉｓｓｍ　１００２—１３７）（．２０１７．０３．０３６　

Ｕｌｔｒａ－ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ　Ｂｌｏｃｋ　Ｃｉｐｈｅｒ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ（ＰＦＰ）Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｆｅｉｓｔｅｌ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　

ＨＵＡＮＧ　Ｙｕ－ｈｕａ　’。ＤＡＩ　Ｘｕ　ｕｎ１　ＳＨＩ　Ｙａｎｇ－ｙａｎｇ　ＬＩＵ　Ｎｉｎｇ－ｚｈｏｎｇ１　ＺＥＮＧ　Ｑｉｎｇ－ｘｉ２　ＳＵ　Ｆｅｉ３　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｍｉｎｇ　２１１１０６，Ｃｈｉｎａ）　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｍｉｎｇ　２１００１６，Ｃｈｉｎａ）。　（Ｓｕｚｈｏｕ　Ｃｈｉｎｓｄｏｍ　Ｃｏ．Ｌｔｄ。Ｓｕｚｈｏｕ　２１５５００。Ｃｈｉｎａ）ａ　

密码学之分组密码算法

密码学之分组密码算法

简介

分组密码算法(Block Cipher Algorithm)是将输⼊数据划分成固定长度的组进⾏加密和解密的⼀类对称密码算法。其安全性主要以来于密钥，通信双⽅使⽤相同的密钥加密和解

密。其优势有速度快，易于标准化和便于软硬件实现等特点。

下标集:

₀ ₁ ₂ ₃ ₄ ₅ ₆ ₇ ₈ ₉ ⁻ ¹ ₋ 󰀀

DES加密算法

DES简介

于1977年公布的第⼀个被⼴泛应⽤的商⽤数据加密算法，在抵抗了⼆⼗余年的密码分析后，其安全性已⽆法得到保障。所以在1998年12⽉以后就不再使⽤DES加密算法。但是

其衍⽣的三重DES加密算法⽬前还有其应⽤场景。

加密过程

算法总览

DES加密算法就如下图所⽰。

其输⼊为64位(bit)的明⽂，使⽤56位(bit)的密钥，但是附加了8位奇偶校验位(位于8,16,...,64位)组合成64位密钥。在64位密钥的控制下，最终产⽣了64(bit)的密⽂。

在下图中

X=X₁X₂X₃...X₆₄即为输⼊明⽂，在经过初始转换IP的换位处理后，得到⼀个乱序的明⽂组，并将其分为

L₀和

R₀两部分，每部分各32位。⽽

K₁K₂...K₁₆则是⽣成由初始密钥⽣

成的轮密钥，长度有48位。

其次进⾏如下图所⽰与密钥有关的16轮迭代变换。对R₀在进⾏⼦密钥K₁控制下的f变换，其得到的结果与L₀作逐位异或后，作为下⼀轮的R₁，⽽R₀则作为下⼀轮的L₁。在经过16

轮如上步骤，最后经过逆初始置换P⁻¹处理后得到密⽂Y=Y₁Y₂Y₃...Y₆₄初始置换IP与逆初始置换IP⁻¹

IP操作是对原明⽂的位次顺序进⾏打乱，⽽逆初始置换IP⁻¹是IP操作的⼀个逆操作，其⽬的是为了撤销之前的初始置换操作。其实这两种操作对密码⽅⾯的作⽤并不⼤。

其具体操作正如表格中所⽰，在如下表格中依次填⼊该顺序位次下的bit位，最终组成新的位次顺序。如第⼀位的的内容即为原明⽂中第58位处的内容。

轮密钥的产⽣