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(shù)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(lián)合開發(fā)。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(xiàn)出與之相當?shù)募用芩俣取３�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(guī)模硬件平臺的設計。整個算法的硬件執(zhí)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(xiàn)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(guī)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(huán)左移 ｜｜ 兩個操作數(shù)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(shù)

·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(shù)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(xiàn)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(shù)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(shù)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(shù)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(xiàn)，ＧＦ（２８）上的元素可以表示成系數(shù)為ＧＦ（２４）上的多項式。這樣，在實現(xiàn)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(shù)分別如（４）、（５）、（６）式所示。

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