李菲

烏海市職業(yè)技術(shù)學(xué)校，內(nèi)蒙古烏海，016000

0 引言

Feistel結(jié)構(gòu)是一種分組密碼結(jié)構(gòu)，由美國(guó)密碼學(xué)家Horst Feistel于1970年提出，應(yīng)用于DES、IDEA、Blowfish等對(duì)稱加密算法中[1]。Feistel結(jié)構(gòu)將明文分為兩個(gè)等長(zhǎng)的分組，進(jìn)行多輪的迭代運(yùn)算，每輪運(yùn)算包括輪函數(shù)和輪密鑰兩個(gè)部分[2]。Feistel結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、靈活、高效，可以適應(yīng)不同的分組長(zhǎng)度、輪數(shù)、輪函數(shù)和密鑰調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)不同的安全性和性能要求[3]。單片機(jī)是一種微型計(jì)算機(jī)，集成了CPU、RAM、ROM、I/O接口等功能模塊于一塊芯片上，具有體積小、成本低、功耗低、可靠性高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域[4]。然而，由于單片機(jī)的資源有限，如何在單片機(jī)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)高效、安全的加密算法，是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題[5]。目前，已有一些研究者對(duì)單片機(jī)上的Feistel結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，主要集中在輪函數(shù)的設(shè)計(jì)和密鑰調(diào)度算法的設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。

本文在綜合考慮單片機(jī)的資源限制和加密算法的安全性和效率的基礎(chǔ)上，對(duì)Feistel結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了一種基于查找表的輪函數(shù)實(shí)現(xiàn)方法，以及一種基于動(dòng)態(tài)密鑰生成的密鑰調(diào)度算法。本文的主要貢獻(xiàn)和創(chuàng)新點(diǎn)有：提出了一種基于查找表的輪函數(shù)實(shí)現(xiàn)方法，利用單片機(jī)的ROM存儲(chǔ)空間，預(yù)先計(jì)算并存儲(chǔ)輪函數(shù)的輸出值，然后在加密過(guò)程中，直接從ROM中讀取相應(yīng)的值，從而避免了復(fù)雜的運(yùn)算，提高了加密速度，降低了資源消耗。本文提出了一種基于動(dòng)態(tài)密鑰生成的密鑰調(diào)度算法，利用單片機(jī)的RAM存儲(chǔ)空間，動(dòng)態(tài)地生成并存儲(chǔ)輪密鑰，然后在加密過(guò)程中，直接從RAM中讀取相應(yīng)的值，從而避免了固定的密鑰，增強(qiáng)了安全性，同時(shí)也提高了加密速度，降低了資源消耗。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提方法的可行性和有效性，結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的Feistel結(jié)構(gòu)，本文的優(yōu)化方案可以提高加密速度，降低資源消耗，增強(qiáng)安全性。

1 Feistel結(jié)構(gòu)的基本原理和特點(diǎn)

Feistel結(jié)構(gòu)是一種分組密碼結(jié)構(gòu)，它將明文分為兩個(gè)等長(zhǎng)的分組，然后進(jìn)行多輪的迭代運(yùn)算，每輪運(yùn)算包括輪函數(shù)和輪密鑰兩個(gè)部分，輪函數(shù)是一種非線性的變換，輪密鑰是從主密鑰派生出的子密鑰[6]。Feistel結(jié)構(gòu)的基本原理如圖1所示。

圖1 Feistel 結(jié)構(gòu)的基本原理

Feistel結(jié)構(gòu)的每輪運(yùn)算可以表示為：

加密和解密過(guò)程對(duì)稱，只需改變輪密鑰的順序，無(wú)需額外的逆輪函數(shù)。輪函數(shù)和密鑰調(diào)度算法的設(shè)計(jì)靈活，可以根據(jù)不同的安全性和效率要求進(jìn)行選擇和組合。分組長(zhǎng)度和輪數(shù)的設(shè)計(jì)靈活，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行選擇和調(diào)整[7]。然而，F(xiàn)eistel結(jié)構(gòu)也有缺點(diǎn)：需要多輪的迭代運(yùn)算，導(dǎo)致加密速度較慢，資源消耗較大。輪函數(shù)和密鑰調(diào)度算法的設(shè)計(jì)復(fù)雜，需要考慮多種因素，以抵抗各種密碼分析攻擊。因此，如何在保證安全性的前提下，對(duì)Feistel結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高加密速度，降低資源消耗，是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

2.1 基于查找表的輪函數(shù)實(shí)現(xiàn)方法

本文提出了一種基于查找表的輪函數(shù)實(shí)現(xiàn)方法，該方法利用單片機(jī)的ROM存儲(chǔ)空間，預(yù)先計(jì)算并存儲(chǔ)輪函數(shù)的輸出值，然后在加密過(guò)程中，直接從ROM中讀取相應(yīng)的值。這種方法避免了復(fù)雜的運(yùn)算，提高了加密速度，降低了資源消耗。

具體來(lái)說(shuō)，本文采用了如圖2所示的輪函數(shù)結(jié)構(gòu)，它由四個(gè)部分組成。

圖2 基于查找表的輪函數(shù)結(jié)構(gòu)

其中，查找表變換采用了S盒的思想，S盒是一種非線性的變換，它將一個(gè)固定長(zhǎng)度的輸入映射為一個(gè)固定長(zhǎng)度的輸出，通常用一個(gè)二維數(shù)組表示。如圖3所示。

圖3 S 盒的示例

本文的查找表變換的優(yōu)點(diǎn)有：提高了加密速度，降低了資源消耗，增強(qiáng)了安全性。缺點(diǎn)有：需要預(yù)先計(jì)算并存儲(chǔ)查找表的值，增加了預(yù)處理的時(shí)間和空間開銷。需要保護(hù)查找表的安全，防止對(duì)手獲取查找表的值，從而破解加密算法。為了解決這些缺點(diǎn)，本文采用了以下措施：利用單片機(jī)的ROM存儲(chǔ)空間，將查找表的值作為常量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在程序中，從而減少了預(yù)處理的時(shí)間和空間開銷，同時(shí)也提高了查找表的讀取速度。利用單片機(jī)的特性，將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不可修改、不可讀取的內(nèi)部存儲(chǔ)器中，從而保護(hù)了查找表的安全，防止了對(duì)手的物理攻擊和邏輯攻擊。

2.2 基于動(dòng)態(tài)密鑰生成的密鑰調(diào)度算法

本文提出了一種基于動(dòng)態(tài)密鑰生成的密鑰調(diào)度算法，該算法利用單片機(jī)的RAM存儲(chǔ)空間，動(dòng)態(tài)地生成并存儲(chǔ)輪密鑰，然后在加密過(guò)程中，直接從RAM中讀取相應(yīng)的值。這種方法避免了固定的密鑰，增強(qiáng)了安全性，同時(shí)也提高了加密速度，降低了資源消耗。具體來(lái)說(shuō)，基于動(dòng)態(tài)密鑰生成的密鑰調(diào)度算法結(jié)構(gòu)可以用公式（5）表示：

本文的動(dòng)態(tài)密鑰生成器的優(yōu)點(diǎn)有：提高了加密速度，降低了資源消耗，增強(qiáng)了安全性。缺點(diǎn)有：需要?jiǎng)討B(tài)地生成并存儲(chǔ)輪密鑰，增加了運(yùn)行時(shí)的時(shí)間和空間開銷；需要保護(hù)動(dòng)態(tài)密鑰生成器的安全，防止對(duì)手獲取動(dòng)態(tài)密鑰生成器的參數(shù)，從而破解加密算法。為了解決這些缺點(diǎn)，本文采用了以下措施：利用單片機(jī)的RAM存儲(chǔ)空間，將輪密鑰動(dòng)態(tài)地存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器中，從而減少了運(yùn)行時(shí)的時(shí)間和空間開銷，同時(shí)也提高了輪密鑰的讀取速度。利用單片機(jī)的特性，將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不可修改、不可讀取的內(nèi)部存儲(chǔ)器中，從而保護(hù)了動(dòng)態(tài)密鑰生成器的安全，防止了對(duì)手的物理攻擊和邏輯攻擊。

3 仿真實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)的環(huán)境和參數(shù)

本文的仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)如表1所示。其中，單片機(jī)的型號(hào)為ATmega328P，這是一種基于AVR架構(gòu)的8位微控制器，是Arduino Uno開發(fā)板的核心芯片。本文的仿真實(shí)驗(yàn)的程序使用C語(yǔ)言編寫，使用AVR-GCC編譯器編譯，使用AVRDUDE工具下載，使用Arduino IDE作為開發(fā)環(huán)境。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)

仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)參數(shù)如表2所示。其中，分組長(zhǎng)度為64位，輪數(shù)為16輪，主密鑰長(zhǎng)度為64位，輪密鑰長(zhǎng)度為32位，輪函數(shù)的輸入擴(kuò)展和輸出壓縮采用簡(jiǎn)單的復(fù)制操作，查找表變換采用DES算法中的S盒，動(dòng)態(tài)密鑰生成器采用一個(gè)16位的LFSR，初始狀態(tài)為0xACE1，反饋系數(shù)為0xB400，輸出位為最高位。本文的仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)為隨機(jī)生成的64位二進(jìn)制序列，每次加密或解密一個(gè)分組，重復(fù)1000次，計(jì)算平均值。

表2 仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)參數(shù)

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和分析

本文的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。其中，傳統(tǒng)的Feistel結(jié)構(gòu)采用了DES算法中的輪函數(shù)和密鑰調(diào)度算法，而本文的優(yōu)化方案采用了基于查找表的輪函數(shù)實(shí)現(xiàn)方法和基于動(dòng)態(tài)密鑰生成的密鑰調(diào)度算法。

表3 仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果

從表3中可以看出，本文的優(yōu)化方案在加密速度、資源消耗和安全性方面都有明顯的改進(jìn)。綜上所述，本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在單片機(jī)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了高效、安全的Feistel結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可行性和有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文的工作雖然取得了一定的成果，但仍有一些不足之處和改進(jìn)空間，例如，查找表變換和動(dòng)態(tài)密鑰生成器的設(shè)計(jì)可能存在一些潛在的安全隱患，需要進(jìn)一步的分析和測(cè)試，以提高其抗攻擊能力。此外，本文的仿真實(shí)驗(yàn)的環(huán)境和參數(shù)還不夠豐富，需要在更多的單片機(jī)平臺(tái)和更多的數(shù)據(jù)集上進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證其通用性和穩(wěn)定性。因此，本文未來(lái)的研究方向包括對(duì)查找表變換和動(dòng)態(tài)密鑰生成器的設(shè)計(jì)進(jìn)行更深入的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)的環(huán)境和參數(shù)進(jìn)行更廣泛的擴(kuò)展和調(diào)整，以及對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行更多的結(jié)合和比較。總的來(lái)說(shuō)，本文的工作僅是對(duì)單片機(jī)上的Feistel結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)初步嘗試，希望能為單片機(jī)上的加密算法的研究和應(yīng)用提供一些參考和啟發(fā)。