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一种新的实用安全加密标准算法——Camellia算法

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增大字体作者：佚名来源：本站整理发布时间：2009-01-10 22:49:32

４）上很少的操作。ｓ１变换中所采用的ｆ、ｈ、ｇ函数分别如（４）、（５）、（６）式所示。

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(ｂ１,ｂ２,ｂ３,ｂ４,ｂ５,ｂ６,ｂ７,ｂ８)＝ｇ(ａ１,ａ２,ａ３,ａ４,ａ５,ａ６,ａ７,ａ８)

其中,(ｂ８＋ｂ７α＋ｂ６α２＋ｂ５α３)＋(ｂ４＋ｂ３α＋ｂ２α２＋ｂ１α３)β

＝１／（(ａ８＋ａ７α＋ａ６α２＋ａ５α３)＋(ａ４＋ａ３α＋ａ２α２＋ａ１α３)）(６)

规定（６）式中ＧＦ(２的８次方)上运算＝1/０，β是ＧＦ（２的８次方）上方程ｘ８＋ｘ６＋ｘ５＋ｘ３＋１＝０的根，ａ＝β２３８＝β６＋β５＋β３＋β２是ＧＦ（２的４次方）上方程ｘ４＋ｘ＋１＝０的根。当然根据性能要求，在具体实现加密算法时，Ｓ盒的实现电路也可以直接查表的方式进行。

·ＦＬ／ＦＬ－１变换

Ｃａｍｅｌｌｉａ算法每六圈加入一次ＦＬ／ＦＬ－１变换，用来打乱整个算法的规律性。加入ＦＬ／ＦＬ－１变换的另一个好处是可以抵抗未知的密码攻击方法，而且加入ＦＬ／ＦＬ－１变换并不影响Ｆｅｉｓｔｅｌ结构加、解密过程相同。
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ＦＬ：Ｌ×Ｌ→Ｌ

（ＸＬ（３２）｜｜ＸＲ（３２），ｋｌＬ（３２）｜｜ｋｌＲ（３２）→（７）

（ＹＲ（３２）∪ｋｌＲ（３２），ＹＬ（３２）｜｜（（ＸＬ（３２）∩ｋｌＬ（３2）　　＜＜＜１）+ＹＲ（３２）

ＦＬ－１：Ｌ×Ｌ→Ｌ

（ＹＬ（３２）｜｜ＹＲ（３２），ｋｌＬ（３２）｜｜ｋｌＲ（３２）→ （８）

（ＹＲ（３２）∪ｋｌＲ（３２），ＹＬ（３２）｜｜（（ＸＬ（３２）∩ｋｌＬ（３２）　　＜＜＜１）+ＹＲ（３２）

２Ｃａｍｅｌｌｉａ算法的加、解密及密钥扩展实现过程

（１）加、解密过程

Ｃａｍｅｌｌｉａ算法的整个加密过程有１８轮Ｆｅｉｓｔｅｌ结构，在第６轮和第１２轮之后加入了ＦＬ／ＦＬ－１变换层，用来打乱算法的规律性，并且在第１轮之前和最后１轮之后使用了１２８比特的异或操作。解密过程与加密过程完全相同，只是圈密钥注入顺序与加密相反。１２８比特密钥Ｃａｍｅｌｌｉａ算法的加密过程如图１所示。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

（２）密钥扩展

Ｃａｍｅｌｌｉａ算法的密钥扩展遵循了严格的设计准则，如实现简单且与加、解密过程共用部件，密钥配置时间小于加密时间，支持在线密钥生成，没有等效密钥，能够抵抗相关密钥攻击和滑动攻击等。整个过程只需通过三个中间变量，ＫＬ（１２８）＝Ｋ（１２８），Ｋ（１２８）＝０ＫＡ的简单移位即可得到子密钥ｋｗｔ（６４）（ｔ＝１，…，４），ｋｕ（６４）（ｕ＝１，…，１８）和ｋｌｖ（６４）（ｖ＝１，…，４），且中间生成过程与加密过程共用了部件Ｆ（如图１、２所示）。

３Ｃａｍｅｌｌｉａ算法的安全性

设计者用差分扩散概率和线性相关概率的保守上界证明了任何含ＳＰＮ网络的十六圈Ｃａｍｅｌｌｉａ密码对差分密码分析和线性密码分析都是安全的；此外，通过对活动Ｓ盒的计数说明十二圈Ｃａｍｅｌｌｉａ中没有概率大于２－１２８的差分特征和线性特征；带或不带ＦＬ层的十圈Ｃａｍｅｌｌｉａ都具有伪随机置换特性，能够抵抗截断差分攻击和线性密码分析；设计者还声称Ｃａｍｅｌｌｉａ能够抵抗不可能差分攻击、Ｂｏｏｍｅｒａｎｇ攻击、高阶差分攻击、相关密钥攻击、插入攻击、Ｓｌｉｄｅ攻击、线性和攻击及Ｓｑｕａｒｅ攻击。在密钥的安全性上，一方面不存在等效密钥；另一方面，子密钥来自主密钥的加密结果ＫＡ和ＫＢ，改变主密钥并不能获得预想的ＫＡ和ＫＢ，反之亦然，因而无法控制和预测子密钥之间的关系，从而相关密钥攻击难以成功。由于密钥长度不少于１２８比特，以当前的计算能力还无法对Ｃａｍｅｌｌｉａ成功实施诸如密钥穷举搜索攻击、时间存储权衡攻击、字典攻击和密钥匹配等类型的强力攻击。

４Ｃａｍｅｌｌｉａ算法在各种平台上的性能比较

评测一个分组密码的好坏，除了要求其具有高的安全性外，还要求算法在应用平台上实现简单。Ｃａｍｅｌｌｉａ算法在设计时充分考虑到了这一点，下面给出其在各种平台上的性能参数。评测算法在软件平台上实现性能时，首要考虑其速度，其次还要看算法实现时所需的存储空间，表１前半部分给出了Ｃａｍｅｌｌｉａ算法在常用的３２位处理器上各种软件平台的实现性能。高的加密速度和低的存储需求，表明Ｃａｍｅｌｌｉａ算法可以有效地应用于各种软件系统中。从表１后半部分可以看出Ｃａｍｅｌｌｉａ算法在高端和低端的智能卡平台上同样有着良好的性能；由于Ｃａｍｅｌｌｉａ算法的密钥扩展与加、解密过程有共用部分，所以其硬件平台所需的芯片面积大大减少，降低了硬件成本，便于推广应用，详细参数见表２。

表1 Camellia算法在软件和智能卡平台上的性能

环境	语言	速度加、解密	RAM合计	ROM合计
PIII700MHz128MB256 L2-cache	Assembly	241.5Mbps	64bytes	11420bytes
PII300MHz160MB512 L2-cache	VC++6	66.6Mbps	108bytes	9461bytes
PIII 1GHz512MB256 L2-cache	Java	161.4Mbps	\	\
Intel 8051 12MHz	Assembly	10217 10.22msec	32bytes	990bytes
Z80 5MHz	Assembly	35951 7.19msec	106bytes	1698bytes
MC68HC705 B16 2.1MHz	Assembly	9900 4.71msec	208bytes	\

表2 Camellia算法在硬件平台上的性能

环境		设计Lab	速度	芯片面积
环境		设计Lab	加、解密	单元	合计
ASIC	Unrolled	Mitsubishi0.18μm	2785.00Mbps	Kgate	244.90
ASIC	Loop	Mitsubishi0.18μm	1881.25Mbps	Kgate	44.30
FPGA	Unrolled	Xilinx VirtexE	401.89Mbps	Slice	9426
FPGA	Loop	Xilinx VirtexE	227.42Mbps	Slice	1780

从本文可以看出，分组密码加密算法发展到今天，不论是从安全性还是从实用性的角度都越来越强。ＮＥＳＳＩＥ标准中的Ｃａｍｅｌｌｉａ加密算法充分考虑到了各种因素，既保证了算法的安全性又考虑到其在各种平台上的实现效率，尤其是针对小硬件的设计思想，使其有着广泛的应用前景。

一种新的实用安全加密标准算法——Camellia算法

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