基于SPN结构的分组加密算法JinGang设计原理详解

JinGang属于对称加密算法5大分支之一的分组加密算法，基于经典SPN结构（Substitution-Permutation Network）设计。JinGang的分组长度为128比特，根据主密钥长度的不同，JinGang算法可以分为JinGang128，JinGang192和JinGang256这3个版本，对应的算法循环轮数分别为12，14和16。

当主密钥长度为128比特，JinGang128算法的加密过程如下图所示：

JinGang128算法的解密过程如下图所示：

当主密钥长度为192比特，JinGang192算法的加密过程如下图所示：

JinGang192算法的解密过程如下图所示：

当主密钥长度为256比特，JinGang256算法的加密过程如下图所示：

JinGang256算法的解密过程如下图所示：

由以上3图我们可以发现，JinGang128，JinGang192和JinGang256加密算法之间除了密钥扩展算法不同和轮函数循环的轮数不同之外，其它地方基本一致。

这里我们只介绍JinGang128算法，对于JinGang192和JinGang256算法可以依此类推。

我们先来看JinGang128的轮函数(由4步构成)。

（1）Substitution(S盒替换)：

如上图所示，加密过程中的16字节（x0，x1，…,x14，x15）中间状态平行独立地进入16个相同的S盒，输出被S盒替换后的16个字节（y0，y1，…,y14，y15）。该8比特S盒的查找表如下图所示：

S盒的各项密码学指标如下图所示：

由上图可以看出JinGang算法的S盒密码学性质与AES算法的S盒相当，能够很好的抵抗差分和线性密码分析，故该S盒可以在分组加密算法中使用。

Substitution(S盒替换)的设计目的：

1.    抵抗差分和线性密码分析

如果整个加密过程都是线性的（仅包含异或、移位等操作），攻击者就可以通过高斯消元法等数学手段，将加密过程表示为线性方程组，从而直接求解出密钥。S盒通过非线性映射（即输出比特是输入比特的非线性函数），彻底破坏了这种线性结构，使得差分密码分析（Differential Cryptanalysis）和线性密码分析（Linear Cryptanalysis）在计算上不可行。

2. 提供加密算法必需的混淆性

S盒是实现克劳德·香农提出的“混淆”原则的关键。它旨在掩盖密钥与密文之间的统计关系。即使明文或密钥只改变1个比特，经过S盒替换后，输出端会有多个比特发生不可预测的剧烈变化，这使得攻击者无法从密文中推导出密钥的任何有效信息。

3. 抵抗侧信道攻击

在实际硬件（如FPGA/ASIC）中，S盒通常以查找表（Look-up Table）的形式实现，仅需极小的门电路即可在单时钟周期内完成替换，执行效率极高。同时，S盒的非线性特性也能有效抵御侧信道攻击（如功耗分析），因为非线性运算在物理层面产生的功耗波动比线性运算更难建模。

（2）Permutation(P盒置换)：

如上图所示，上个过程中的16字节（x0，x1，…,x14，x15）中间状态根据置换表变换位置而不改变其值，输出被P盒变换位置后的16字节（y0=x0，y1=x1，…,y14=x14，y15=x15）。不难发现，Permutation 为对合变换。P盒的置换表如下图所示：

Permutation(P盒置换)的设计目的：

Permutation需要和其他操作配合，才能完全发挥扩散作用：

与字节替换（Substitution）协同：Substitution通过S盒进行非线性替换，负责引入“混淆”。而Permutation则是一个线性的置换操作，它只改变字节的位置，不改变字节本身的值。两者结合，既搅乱了数据内容，又打乱了数据位置。

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