[发明专利]轻量级分组密码加密及解密方法

说明书

本发明公开了一种轻量级分组密码加密及解密方法，轮函数中采用一种动态构成的F函数对明文数据进行加密处理，首先获取待加密明文数据并分为4分支明文数据组，每分支明文数据组同时进行动态F函数运算后，进行P置换，以此完成一轮函数加密，共进行15轮迭代加密，最后进行一次轮密钥的“白化”操作后，最终得到密文输出。该F函数为由轮常量加、S盒替换、列混淆、轮密钥加4个组件参与运算时的顺序循环移动构成的动态结构。其中S盒替换由一种新的类似广义Feistel结构构成，硬件实现代价小。每轮密钥更新完成后，更新后的轮密钥也分为4分支参与F函数中的轮密钥加运算。本发明使得密码算法结构设计更灵活，且能在较低的实现代价下具有更高的安全性。

技术领域

本发明涉及信息加密技术领域，具体涉及一种轻量级分组密码加密及解密方法。

背景技术

随着物联网的发展，无线射频识别(RFID)和无线传感器网络(WSN)等技术得到了广泛应用，轻量级加密算法日益受到人们的关注。轻量级分组密码算法作为一种特殊的分组密码算法，它们在硬件实现、加密速度、运行功耗等方面与AES等高强密码算法相比有明显的优势，更适合物联网微型计算设备使用。由于这些微型嵌入式设备自身存在计算能力弱、存储空间以及能力来源非常有限的特点，对于这些资源严格受限的设备，传统密码算法实现规模(资源面积)相对较大，不适合应用，因此密码学界的设计者们提出轻量级密码来保证物联网产业信息安全。

近年来，轻量级分组密码引起密码学家的高度重视，其设计则侧重于为资源受限设备，注重算法实现时小面积低资源与高性能。目前轻量级密码算法的设计与实现，存在高性能与高安全性矛盾的关系，造成轻量级密码算法出现实现性能高却安全性不高，或安全性高但实现性能过低的局面。对于轻量级密码算法，安全性与实现性能是最为重要的，也是最基本的，更是轻量级密码算法研究所面临的最大挑战，也是我们必须面对的挑战。本发明即给出了一种基于4分支按不同组件顺序进行加密的方法，本发明提出的加密结构灵活性大，给密码算法开发者提供了不同的设计思路。

发明内容

本发明提出了一种硬件资源消耗小且安全性高的轻量级分组密码加密方法DSA(Dynamic structure algorithm)，该方法通过将明文分为4分支明文数据组后经过F函数动态结构变换，使得加密算法的结构更具灵活性，从而使算法的安全性得到提高。

本发明提供一种新的轻量级分组密码加密方法，包括如下步骤：

一种轻量级分组密码加密方法，包括以下步骤：

步骤A1：获取64位明文作为待加密数据X，进行加密运算。

其中，待加密数据X从高位到低位每16位一组依次排序形成4分支明文数据组，记作X＝X₀X₁X₂X₃。

步骤A2：获取80位密钥作为初始密钥数据K，进行密钥更新运算：将初始密钥数据K循环左移7位。然后从高位到低位每16位一组依次排序分为5个密钥数据组，分别为K0、K1、K2、K3、K4。再对K0、K2的前4位数据与轮计数器r-1进行异或运算，其中r代表当前轮数。得到的运算结果进行S盒替换得到更新后的K0、K2，最后将K0、K1、K2、K3、K4依次排序作为下一轮的轮密钥。

步骤A3：对步骤A1所述的待加密数据X进行F函数运算。

其中，F函数包括轮常量加、S盒替换、列混淆、轮密钥加4个组件，并根据4个组件参与运算时的顺序，分为F1、F2、F3、F4四种结构，4分支明文数据组X₀、X₁、X₂、X₃分别进行F1、F2、F3、F4函数运算。F函数每轮运算所使用的轮密钥为密钥更新运算后的前64位数据。

设a数组中4个组件构成了F函数：a[4]＝[轮常量加，S盒替换，列混淆，轮密钥加]，则4个F函数中组件运算顺序以下公式表示，即Fi中第k个组件为：