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[原创]基于NFSR和S盒的国产流密码算法Bagua
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发表于:
2024-10-1 11:06
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[原创]基于NFSR和S盒的国产流密码算法Bagua
基于NFSR和S盒的国产流密码算法Bagua
0x0 Bagua算法简介
流密码算法Bagua是面向5G数据通信、面向硬件设计的密码算法。它是由国内知名密码专家学者谭林、朱宣勇、戚文峰共同设计的密码算法,发表在2020年国际信息安全与密码会议上(Inscrypt 2020)。该算法是基于Galois结构的非线性反馈移位寄存器的同步流密码算法。该算法的设计理念来源于流密码算法Trivium,遵从分组密码算法的“混淆+扩散”的设计原则:Bagua算法由8个非线性反馈移位寄存器(总共有625级寄存器)和一个S盒组成,S盒是8进8出的,起到混淆的作用,8个线性变换起到扩散的作用,每轮S盒和线性变换的输人都是从8个非线性反馈移位寄存器中抽取。Bagua是面向硬件的,根据应用场景可以自主选择1-32拍并行运算,支持128/256比特的密钥长度,初始化向量IV长为128比特。算法分为初始化阶段和工作阶段,初始化阶段的作用是使得密钥充分混淆和扩散,工作阶段开始生成密钥流,密钥流与明文序列异或即得到密文。
0x1 初始化过程
Bagua使用128比特初始向量IV=(v0,v1,…,v127),并且可以支持128比特和256比特两种长度的密钥。为了统一密钥装载,对于128比特密钥长度的版本,复制这串密钥得到一个256比特的元组,并将其记为K=(k0,k1,…,k255)。
在初始化的过程中,密钥和初始向量是以如下的方式装载的:
当密钥和初始向量装载完成后,对于128/256比特密钥长度的版本,Bagua算法在初始化阶段运行960/1600轮。初始化完成之后,算法进入工作阶段,每拍输出1比特,输出函数定义为:
0x2 状态更新过程
Bagua的主要组件是8个非线性反馈移位寄存器和1个8X8的S盒,将前4个非线性反馈移位寄存器的状态表示为(u313,u312,…,u1),将后4个非线性反馈移位寄存器的状态表示为(d312,d311,…,d1)。从上到下、从左至右所对应的级数分别为:68、73、79、93和89、87、71、65。8个非线性反馈移位寄存器的更新方式如下:
扩散层的8个线性布尔函数如下所示:
Bagua的混淆层采用的是一个8进8出的可逆S盒,将它记为:
它由4个不同的4进4出的S盒和一个轻量级的线性变换构成。S盒如图所示:
S1和S2的输人分别记为(u281,u211,u136,u55)和(d275,d188,d103,d34),S3和S4的的输人分别记为(n1,n8,n2,n7)和(n3,n6,n4,n5)。L(x)=L·x表示的是线性变换,其中L是一个8阶二元矩阵,具体表示如下:
从代数的角度来看,8比特的S盒可以看成是一个向量值布尔函数,每个分支的代数正规型的代数次数都是6,项数分别为91项、98项、103项、99项、99项、96项、114项和110项。
Bagua的结构
Bagua的S盒
0x3 密钥流输出过程
初始化过程执行完毕,开始输出密钥流。内部状态每更新1拍,输出1比特的密钥。密钥生成函数如下图:
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