基于Feistel结构的分组加密算法Smart设计原理详解

Smart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Feistel结构设计，轮函数为SPN（Substitution-Permutation Network）结构。Smart的分组长度为128比特，根据主密钥长度的不同，Smart算法可以分为Smart128，Smart192和Smart256这3个版本，对应的算法循环轮数分别为24，28和32。

当主密钥长度为128比特，Smart128算法的加密过程如下图所示：

Smart128算法的解密过程如下图所示：

当主密钥长度为192比特，Smart192算法的加密过程如下图所示：

Smart192算法的解密过程如下图所示：

当主密钥长度为256比特，Smart256算法的加密过程如下图所示：

Smart256算法的解密过程如下图所示：

其中轮函数F如下图所示：

由以上3图我们可以发现，Smart128，Smart192和Smart256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Smart128算法，对于Smart192和Smart256算法可以依此类推。

我们先来看Smart128的轮函数(由3步构成)。

（1）AddRoundKey(轮密钥加)：

将R的8个字节的中间状态分别依次异或对应位的密钥字节，具体操作如下图所示：

AddRoundKey(轮密钥加)的设计目的：

分组加密中引入轮密钥（而非所有轮次共用主密钥）的核心目的，是破坏轮与轮之间的同构性，并充分混入密钥的随机性，以抵御多种已知密码分析攻击。具体体现在以下三个层面：1. 打破对称性，抵御“滑动攻击”
如果每轮都使用相同的主密钥，整个加密过程会呈现“周期自相似性”（即轮函数的迭代重复）。攻击者可以利用这种结构弱点，通过滑动攻击（Slide Attack）将破解复杂度从指数级降至线性级。轮密钥的差异性直接切断了这种利用路径，使每一轮的变换都具有独特的密钥约束。

2. 实现密钥的充分混淆与扩散（非线性关联）
轮密钥并非简单切分主密钥，而是通过密钥编排算法（Key Schedule）（通常含循环移位、S盒替换等非线性操作）生成。这确保了：

·        充分扩散：主密钥的每一个比特都能影响到多个不同轮密钥的多个比特。

·        强非线性：密文与主密钥之间的统计关系变得极其复杂，有效抵御线性攻击和差分攻击（攻击者无法通过线性逼近或差分传递来猜测密钥）

3. 保障轮间独立性，抵御相关密钥攻击
复杂的密钥编排确保各轮子密钥之间、子密钥与主密钥之间不存在简单的线性或代数关系。即使攻击者通过旁路攻击（如功耗分析）部分泄露了某一轮的子密钥，也无法反向推导出主密钥或其他轮密钥，从而提升了整体的安全冗余。

（2）Substitution(S盒替换)：

如上图所示，加密过程中的8字节（x0，x1，…,x6，x7）中间状态平行独立地进入8个相同的S盒，输出被S盒替换后的16个字节（y0，y1，…,y6，y7）。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Smart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。

[招生]科锐逆向工程师培训(2026年7月3日实地，远程教学同时开班, 第56期)！