[发明专利]面向字节的随机多表替换加密与解密方法

说明书

本发明为面向字节的随机多表替换加密方法与解密方法，每加密一个明文字符就改变整张替换表，且每张替换表都有半数以上的差异，本质上具有与一次一密(OTP)算法相同的安全性。算法中引入密文反馈机制，用同一密钥加密的两段明文消息，只要有一个字符发生改变，则从此之后所有的密文都将发生改变。若再引入一定数量的随机数改变工作密钥，则即使用同一密钥对同一段明文消息多次加密，每次加密的结果都完全不同，从而能够有效抵抗已知明文分析的攻击。在网络通信网关中使用这样的加密系统，只要初始密钥的长度足以抵抗穷举攻击，则可以较长使用同一密钥加密数据而不影响系统的安全性，从而大大降低系统密钥管理的难度和安全风险。

技术领域

本发明属于信息安全技术领域，涉及数据的加密和解密，具体地涉及基于多表替换的数据加密解密技术，为一种面向字节的随机多表替换加密与解密方法。

背景技术

替换是加密技术中经常使用的一种方法，即用一个字符代替另外一个字符。经典的单表替换密码，由于不能改变明文消息中的信息冗余度，因此用字符频率分析法就能进行唯密文破解。著名的Vigenere密码是多表密码的典型代表，同一明文字符可以对应多个密文字符，因而能够有效抵抗字符频率分析法的攻击。但由于周期性地重复使用相同的密钥来加密明文消息，若密钥的长度为N，则密文可视为N份单表加密的结果，因而可用计算重合指数IC(index of coincidence)或Kasiski试验的方法，确定出密钥的长度，从而破解多表密码加密的密文。由此可以看出，重复使用替换表是多表密码的根本弱点。如果能够找到一种方法，每加密一个明文字符都要改变整个替换表，也即能够产生与明文字符一样多的替换表，则这样的多表替换密码将具有与一次一密(OTP)算法相同的安全性。

现有的流密码算法，在本质上都是模仿一次一密算法，希望用较短的用户密钥产生足够长、足够随机的密钥流，与明文字符进行“异或”(XOR)操作来得到密文字符。这样的流密码具有加密速度快、加解密算法完全相同的优点，广泛应用于网络通信的数据加密。但在具体的使用过程中，这样的算法有一个弱点，那就是不用能同一密钥加密多份消息，因为一旦攻击者获得其中的一份明文消息，则同一密钥加密的所有消息都将被破解。这就给使用这种流密码算法的安全保密系统，增添了密钥管理的难度，需要经常更新密钥。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种面向字节的随机多表替换加密与解密方法，每加密一个明文字符就改变整张替换表，且每张替换表都有半数以上的差异，本质上具有与一次一密(OTP)算法相同的安全性。算法中引入密文反馈机制，用同一密钥加密的两段明文消息，只要有一个字符发生改变，则从此之后所有的密文都将发生改变。再引入一定数量的随机数改变工作密钥，则即使用同一密钥对同一段明文消息加密多次，每次加密的结果都完全不同，从而能够有效抵抗已知明文分析的攻击。在网络通信网关中使用这样的加密系统，只要初始密钥的长度足以抵抗穷举攻击，则可以在较长一段时间范围内重复使用同一密钥加密数据而不影响系统的安全性，从而大大降低系统密钥管理的难度和安全风险。同时，由于算法实现简单，需要的计算资源较少，属于轻量级的密码算法，因而能够在物联网、传感器网等系统中使用。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

面向字节的随机多表替换加密方法，明文、密文和密钥均是有限域GF(2⁸)内的元素，替换表S共有256个元素，工作密钥WKey共有256个元素，用户密钥Key的元素个数可变，最少一个元素，最多256个元素，通过密钥扩展算法生成工作密钥WKey，加密步骤如下：

第(1)步：生成替换表S和工作密钥WKey，产生M个随机数用来改变工作密钥WKey，并生成密文反馈字符FC，具体步骤如下：

第(101)步：生成替换表S，将替换表S中256个元素的值，分别设置为0～255，即S(i)＝i，i＝0～255；

第(102)步：将用户密钥Key扩展为工作密钥WKey；