[發(fā)明專利]面向字節(jié)的隨機(jī)多表替換加密與解密方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011248734.3
• 申請(qǐng)日: 2020-11-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112422278A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-02-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李春林
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安培華學(xué)院
• 主分類號(hào): H04L9/08
• 分類號(hào): H04L9/08;H04L9/14;H04L9/00;H04L29/06
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 段俊濤

本發(fā)明為面向字節(jié)的隨機(jī)多表替換加密方法與解密方法，每加密一個(gè)明文字符就改變整張?zhí)鎿Q表，且每張?zhí)鎿Q表都有半數(shù)以上的差異，本質(zhì)上具有與一次一密(OTP)算法相同的安全性。算法中引入密文反饋機(jī)制，用同一密鑰加密的兩段明文消息，只要有一個(gè)字符發(fā)生改變，則從此之后所有的密文都將發(fā)生改變。若再引入一定數(shù)量的隨機(jī)數(shù)改變工作密鑰，則即使用同一密鑰對(duì)同一段明文消息多次加密，每次加密的結(jié)果都完全不同，從而能夠有效抵抗已知明文分析的攻擊。在網(wǎng)絡(luò)通信網(wǎng)關(guān)中使用這樣的加密系統(tǒng)，只要初始密鑰的長(zhǎng)度足以抵抗窮舉攻擊，則可以較長(zhǎng)使用同一密鑰加密數(shù)據(jù)而不影響系統(tǒng)的安全性，從而大大降低系統(tǒng)密鑰管理的難度和安全風(fēng)險(xiǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于信息安全技術(shù)領(lǐng)域，涉及數(shù)據(jù)的加密和解密，具體地涉及基于多表替換的數(shù)據(jù)加密解密技術(shù)，為一種面向字節(jié)的隨機(jī)多表替換加密與解密方法。

背景技術(shù)

替換是加密技術(shù)中經(jīng)常使用的一種方法，即用一個(gè)字符代替另外一個(gè)字符。經(jīng)典的單表替換密碼，由于不能改變明文消息中的信息冗余度，因此用字符頻率分析法就能進(jìn)行唯密文破解。著名的Vigenere密碼是多表密碼的典型代表，同一明文字符可以對(duì)應(yīng)多個(gè)密文字符，因而能夠有效抵抗字符頻率分析法的攻擊。但由于周期性地重復(fù)使用相同的密鑰來(lái)加密明文消息，若密鑰的長(zhǎng)度為N，則密文可視為N份單表加密的結(jié)果，因而可用計(jì)算重合指數(shù)IC(index of coincidence)或Kasiski試驗(yàn)的方法，確定出密鑰的長(zhǎng)度，從而破解多表密碼加密的密文。由此可以看出，重復(fù)使用替換表是多表密碼的根本弱點(diǎn)。如果能夠找到一種方法，每加密一個(gè)明文字符都要改變整個(gè)替換表，也即能夠產(chǎn)生與明文字符一樣多的替換表，則這樣的多表替換密碼將具有與一次一密(OTP)算法相同的安全性。

現(xiàn)有的流密碼算法，在本質(zhì)上都是模仿一次一密算法，希望用較短的用戶密鑰產(chǎn)生足夠長(zhǎng)、足夠隨機(jī)的密鑰流，與明文字符進(jìn)行“異或”(XOR)操作來(lái)得到密文字符。這樣的流密碼具有加密速度快、加解密算法完全相同的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)加密。但在具體的使用過(guò)程中，這樣的算法有一個(gè)弱點(diǎn)，那就是不用能同一密鑰加密多份消息，因?yàn)橐坏┕粽攉@得其中的一份明文消息，則同一密鑰加密的所有消息都將被破解。這就給使用這種流密碼算法的安全保密系統(tǒng)，增添了密鑰管理的難度，需要經(jīng)常更新密鑰。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種面向字節(jié)的隨機(jī)多表替換加密與解密方法，每加密一個(gè)明文字符就改變整張?zhí)鎿Q表，且每張?zhí)鎿Q表都有半數(shù)以上的差異，本質(zhì)上具有與一次一密(OTP)算法相同的安全性。算法中引入密文反饋機(jī)制，用同一密鑰加密的兩段明文消息，只要有一個(gè)字符發(fā)生改變，則從此之后所有的密文都將發(fā)生改變。再引入一定數(shù)量的隨機(jī)數(shù)改變工作密鑰，則即使用同一密鑰對(duì)同一段明文消息加密多次，每次加密的結(jié)果都完全不同，從而能夠有效抵抗已知明文分析的攻擊。在網(wǎng)絡(luò)通信網(wǎng)關(guān)中使用這樣的加密系統(tǒng)，只要初始密鑰的長(zhǎng)度足以抵抗窮舉攻擊，則可以在較長(zhǎng)一段時(shí)間范圍內(nèi)重復(fù)使用同一密鑰加密數(shù)據(jù)而不影響系統(tǒng)的安全性，從而大大降低系統(tǒng)密鑰管理的難度和安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，由于算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，需要的計(jì)算資源較少，屬于輕量級(jí)的密碼算法，因而能夠在物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)等系統(tǒng)中使用。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

面向字節(jié)的隨機(jī)多表替換加密方法，明文、密文和密鑰均是有限域GF(2⁸)內(nèi)的元素，替換表S共有256個(gè)元素，工作密鑰WKey共有256個(gè)元素，用戶密鑰Key的元素個(gè)數(shù)可變，最少一個(gè)元素，最多256個(gè)元素，通過(guò)密鑰擴(kuò)展算法生成工作密鑰WKey，加密步驟如下：

第(1)步：生成替換表S和工作密鑰WKey，產(chǎn)生M個(gè)隨機(jī)數(shù)用來(lái)改變工作密鑰WKey，并生成密文反饋?zhàn)址鸉C，具體步驟如下：

第(101)步：生成替換表S，將替換表S中256個(gè)元素的值，分別設(shè)置為0～255，即S(i)＝i，i＝0～255；

第(102)步：將用戶密鑰Key擴(kuò)展為工作密鑰WKey；