密码学学习笔记（二）——对称密码算法（轻量级密码算法Twine）

article/2025/9/25 2:25:56

文章目录

  • 1. 分组密码（Twine）
    • 1.1 加解密方式
      • 1.1.1 加密
      • 1.1.2 密钥生成算法
      • 1.1.3 解密
      • 1.1.4 全部代码
    • 1.2. 分组密码的模式
      • 1.2.1 ECB模式
      • 1.2.2 CBC模式
      • 1.2.3 CFB模式
      • 1.2.4 OFB模式
      • 1.2.5 CTR模式
  • 2.序列密码

如图，对称加密算法是应用较早的加密算法，技术成熟。在对称加密算法中，数据发信方将明文和加密密钥一起经过特殊加密算法处理后，使其变成复杂的加密密文发送出去。收信方收到密文后，若想解读原文，则需要使用加密用过的密钥及相同算法的逆算法对密文进行解密，才能使其恢复成可读明文。具有算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高等特点。在这里插入图片描述

1. 分组密码（Twine）

Twine是由Tomoyasu Suzaki，Kazuhiko Minematsu， Sumio Morioka和Eita Kobayashi在2011年的ECRYPT轻量级密码会议上首次提出的，并发表在2012年的SAC会议上。它的分组长度是64比特，密钥长度有80比特和128比特两个版本，其采用广义的Feistel结构(Generalized Feistel Structure，简称GFS),并由36轮轮函数构成，这里我们重点介绍80位的算法。

1.1 加解密方式

1.1.1 加密

Twine-80的加密算法如下所示：
加密算法
该算法采用的是广义的Feistel结构，具体结构如下图所示：
Feistel结构
我们可以看出，此算法在Feistel结构的基础上改造了位置交换的方法，我们称之为π置换（π-1置换用于解密）：
π置换
Feistel结构中S盒如下表：S-box

void Feistel(int r,int k)
{int i;char a;if(k == 1){if(r != 35)for(i = 0;i < 16;i += 2){OutPut[PI[i]] = InPut[i];a = S[InPut[i] ^ R_Key[r][i / 2]];OutPut[PI[i + 1]] = InPut[i + 1] ^ a;}elsefor(i = 0;i < 16;i += 2){OutPut[i] = InPut[i];a = S[InPut[i] ^ R_Key[r][i / 2]];OutPut[i + 1] = InPut[i + 1] ^ a;}}else{if(r != 35)for(i = 0;i < 16;i += 2){OutPut[Pi[i]] = InPut[i];a = S[InPut[i] ^ R_Key[35 - r][i / 2]];OutPut[Pi[i + 1]] = InPut[i + 1] ^ a;}elsefor(i = 0;i < 16;i += 2){OutPut[i] = InPut[i];a = S[InPut[i] ^ R_Key[35 - r][i / 2]];OutPut[i + 1] = InPut[i + 1] ^ a;}}
}

1.1.2 密钥生成算法

Twine-80的密钥生成算法如下所示：
密钥生成算法
方便起见，我们将算法用图画出：
密钥生成算法
其中轮常数Con如下：在这里插入图片描述

void MakeRKey()
{int i,j,k;int choose[8] = {1,3,4,6,13,14,15,16};char ch,ConH,ConL;char key[20] = {0};for(i = 0;i < 10;i++){ch = fgetc(KEY);for(j = (2 * i) + 1;j >= 2 * i;j--){key[j] = ch & 0x0F;ch = ch >> 4;}}for(i = 0;i < 36;i++){for(j = 0;j < 8;j++)R_Key[i][j] = key[j];if(i < 35){key[1] = key[1] ^ S[key[0]];key[4] = key[4] ^ S[key[16]];ConL = CON[i] & 0x07;ConH = CON[i] >> 3;ConH = ConH & 0x07;key[7] = key[7] ^ ConH;key[19] = key[19] ^ ConL;ch = key[0];for(j = 0;j < 19;j++)key[j] = key[j + 1];key[j] = ch;for(k = 0;k < 3;k++){ch = key[0];for(j = 0;j < 18;j++)key[j] = key[j + 1];key[j] = ch;}}}
}

1.1.3 解密

由于轮函数的等价结构，解密算法与加密算法除π置换与轮密钥的注入顺序不同外，其余均相似。

1.1.4 全部代码

代码作用是将plaintext0.txt中的数据加密为ciphertext.txt，然后再解密为plaintext.txt：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>FILE *KEY;
int flag;
int PI[16] = {5,0,1,4,7,12,3,8,13,6,9,2,15,10,11,14};
int Pi[16] = {1,2,11,6,3,0,9,4,7,10,13,14,5,8,15,12};
char S[16] = {0x0c,0x00,0x0f,0x0a,0x02,0x0b,0x09,0x05,0x08,0x03,0x0d,0x07,0x01,0x0e,0x06,0x04};
char CON[35] = {0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x03,0x06,0x0c,0x18,0x30,0x23,0x05,0x0a,0x14,0x28,0x13,0x26,0x0f,0x1e,0x3c,0x3b,0x35,0x29,0x11,0x22,0x07,0x0e,0x1c,0x38,0x33,0x25,0x09,0x12,0x24};
char InPut[16] = {0},OutPut[16] = {0};
char R_Key[36][8] = {0};
char plain[16] = {0},cipher[16] = {0};void Read(FILE *OUT,int k)
{int i,j;char ch;for(i = 0;i < 8;i++){ch = fgetc(OUT);if(ch == -1){ch = 0;flag = 0;if(i == 0){flag = -1;return;}}for(j = (2 * i) + 1;j >= 2 * i;j--){if(k == 1)plain[j] = ch & 0x0F;elsecipher[j] = ch & 0x0F;ch = ch >> 4;}}
}void Write(FILE *IN,int k)
{int i,j;char ch;for(i = 0;i < 8;i++){ch = 0x00;for(j = 2 * i;j <= (2 * i) + 1;j++){ch = ch << 4;if(k == 1)ch =  ch | cipher[j];elsech =  ch | plain[j];}fputc(ch,IN);}
}void MakeRKey()
{int i,j,k;int choose[8] = {1,3,4,6,13,14,15,16};char ch,ConH,ConL;char key[20] = {0};for(i = 0;i < 10;i++){ch = fgetc(KEY);for(j = (2 * i) + 1;j >= 2 * i;j--){key[j] = ch & 0x0F;ch = ch >> 4;}}for(i = 0;i < 36;i++){for(j = 0;j < 8;j++)R_Key[i][j] = key[j];if(i < 35){key[1] = key[1] ^ S[key[0]];key[4] = key[4] ^ S[key[16]];ConL = CON[i] & 0x07;ConH = CON[i] >> 3;ConH = ConH & 0x07;key[7] = key[7] ^ ConH;key[19] = key[19] ^ ConL;ch = key[0];for(j = 0;j < 19;j++)key[j] = key[j + 1];key[j] = ch;for(k = 0;k < 3;k++){ch = key[0];for(j = 0;j < 18;j++)key[j] = key[j + 1];key[j] = ch;}}}
}void Feistel(int r,int k)
{int i;char a;if(k == 1){if(r != 35)for(i = 0;i < 16;i += 2){OutPut[PI[i]] = InPut[i];a = S[InPut[i] ^ R_Key[r][i / 2]];OutPut[PI[i + 1]] = InPut[i + 1] ^ a;}elsefor(i = 0;i < 16;i += 2){OutPut[i] = InPut[i];a = S[InPut[i] ^ R_Key[r][i / 2]];OutPut[i + 1] = InPut[i + 1] ^ a;}}else{if(r != 35)for(i = 0;i < 16;i += 2){OutPut[Pi[i]] = InPut[i];a = S[InPut[i] ^ R_Key[35 - r][i / 2]];OutPut[Pi[i + 1]] = InPut[i + 1] ^ a;}elsefor(i = 0;i < 16;i += 2){OutPut[i] = InPut[i];a = S[InPut[i] ^ R_Key[35 - r][i / 2]];OutPut[i + 1] = InPut[i + 1] ^ a;}}
}int main()
{int mode,i,r;FILE *M,*C;if((KEY = fopen("key.txt","rb")) == NULL){printf("\nkey.txt Fail,Close!");getchar();exit(1);}MakeRKey();while(1){flag = 1;printf("Plase choose:\n1. encrypt \n2. decrypt \n3. exit \n");scanf("%d",&mode);if(mode == 1){if((M = fopen("plaintext0.txt","rb")) == NULL){printf("\nplaintext.txt Fail,Close!");getchar();exit(1);}if((C = fopen("ciphertext.txt","wb")) == NULL){printf("\nciphertext.txt Fail,Close!");getchar();exit(1);}while(flag){Read(M,1);if(flag == -1)break;for(i = 0;i < 16;i++)InPut[i] = plain[i];for(r = 0;r < 36;r++){Feistel(r,1);for(i = 0;i < 16;i++)InPut[i] = OutPut[i];}for(i = 0;i < 16;i++)cipher[i] = OutPut[i];Write(C,1);}fclose(M);fclose(C); }if(mode == 2){if((C = fopen("ciphertext.txt","rb")) == NULL){printf("\nciphertext.txt Fail,Close!");getchar();exit(1);}if((M = fopen("plaintext.txt","wb")) == NULL){printf("\nplaintext.txt Fail,Close!");getchar();exit(1);}while(flag){Read(C,2);if(flag == -1)break;for(i = 0;i < 16;i++)InPut[i] = cipher[i];for(r = 0;r < 36;r++){Feistel(r,2);for(i = 0;i < 16;i++)InPut[i] = OutPut[i];}for(i = 0;i < 16;i++)plain[i] = OutPut[i];Write(M,2);}fclose(M);fclose(C); }if(mode == 3){fclose(KEY);exit(0);}system("pause");system("cls");}return 0;
}

1.2. 分组密码的模式

在数组密码中，如何将长的明文数据分成算法要求的长度也是一个问题。为此，人们提出了分组密码的分组模式：

1.2.1 ECB模式

加密：
在这里插入图片描述
解密：
在这里插入图片描述

1.2.2 CBC模式

加密：
在这里插入图片描述
解密：
在这里插入图片描述

1.2.3 CFB模式

加密：
在这里插入图片描述
解密：
在这里插入图片描述

1.2.4 OFB模式

加密：
在这里插入图片描述
解密：
在这里插入图片描述

1.2.5 CTR模式

加密：
在这里插入图片描述
解密：
在这里插入图片描述

2.序列密码

序列密码也称为流密码（Stream Cipher），它是对称密码算法的一种。序列密码具有实现简单、便于硬件实施、加解密处理速度快、没有或只有有限的错误传播等特点，因此在实际应用中，特别是专用或机密机构中保持着优势，典型的应用领域包括无线通信、外交通信。
1949年Shannon证明了只有一次一密的密码体制是绝对安全的，这给序列密码技术的研究以强大的支持，序列密码方案的发展是模仿一次一密系统的尝试，或者说“一次一密”的密码方案是序列密码的雏形。如果序列密码所使用的是真正随机方式的、与消息流长度相同的密钥流，则此时的序列密码就是一次一密的密码体制。若能以一种方式产生一随机序列（密钥流），这一序列由密钥所确定，则利用这样的序列就可以进行加密，即将密钥、明文表示成连续的符号或二进制，对应地进行加密,加解密时一次处理明文中的一个或几个比特。
在序列密码中，密钥流由密钥流发生器f产生：zi=f(k,si)，这里的si是加密器中存储器（记忆元件）在i时刻的状态。根据加密器中的记忆元件si的存贮状态是否依赖于明文字符，序列密码可进一步分成同步和自同步两种。如果si独立于明文字符则称为同步流密码，否则称为自同步流密码。
序列密码算法主要依靠（线性）反馈移位寄存器，这里就不过多说明了。


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