一种标准密文输出格式的商密SM4算法的白盒软件实现方法技术

本发明专利技术提供了一种标准密文输出格式的商密SM4算法的白盒软件实现方法。本发明专利技术中，需要进行36轮运算，每轮运算将分为三层，每一层利用输入或者输出变换进行混淆，层与层之间的输入输出变换部分抵消，含有密钥的那一层运算通过查找表来实现，密钥不显式的出现在算法中，且无法通过分析中间数据获取密钥。本发明专利技术设计的SM4白盒算法将密钥隐藏在查找表中，且利用线性变换对查找表进行混淆，采用线性变换的复合来抵抗查找表的合并分析，达到有效保护密钥的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种标准密文输出格式的商密SM4算法的白盒软件实现方法
本专利技术涉及信息安全
，特别是涉及一种标准密文输出格式的商密SM4算法的白盒软件实现方法。
技术介绍
随着网络和计算机技术应用的快速发展，信息安全问题已经成为关乎国计民生的大事。传统密码学建立在黑盒模型下，该模型假设算法运行在一个可信的终端，其运行子结果、内存等均处在不可查看和不可更改的可信任环境中。然而，密码学的应用已经遍及到人们日常生活的各个角落，例如电子邮件、网页访问、数字内容分发、网络交易、电子政务等。这些应用虽然在一个标准的终端上执行，像手机、智能卡等，但却使用在一个不可信任的环境中，软件加解密的动态过程对于攻击者是可见的，他们很容易就获得密钥信息。传统的黑盒模型较少考虑这些问题，它已经不再满足越来越高的安全要求。SM4算法是国家商用密码管理局制定的商用分组密码标准，主要用于无线局域网产品，其运行环境往往是不安全的。为了保护无线局域网产品中的密钥安全，设计能够抵抗白盒攻击的SM4算法是十分必要的。2002年，Chow等人提出了白盒攻击环境的概念，允许攻击者对加密软件及其运行环境拥有完全的控制能力、与软件的执行者拥有同等的权利。白盒攻击环境颠覆了传统密码学对攻击者能力的诸多限制，更加符合实际生活中的安全威胁。我们将能够抵抗白盒攻击的密码算法及其实现称为白盒密码。随后，Chow等人提出了AES白盒算法和DES白盒算法。不久，Jacob、Wyseur、Goubin、Billet等人采用注入错误攻击、截断差分分析、合并查找表等技术对AES白盒算法和DES白盒算法进行攻击，证明了Chow等人提出的白盒算法是不安全的。虽然白盒密码算法一直是学术界讨论的热点，但却一直未有安全的白盒密码算法出现。综上，目前并没有安全的SM4白盒算法被提出，这不利于保护无线局域网产品的密钥安全，产品中的密码模块存在着巨大的安全风险。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供了一种标准密文输出格式的商密SM4算法的白盒软件实现方法，包括如下步骤：步骤一：产生一组128bit的字符串作为根密钥。步骤二：将128bit的根密钥按照标准SM4密钥扩展算法扩展为32个32bit的轮密钥，设为rk0，rk1，...，rk31，分别用于第1轮到第32轮的计算，第33、34、35、36轮计算的密钥分别为r28，r29，r30，r31。步骤三：随机生成420个8×8的可逆矩阵，分别记为Mi，i＝1，...，420。步骤四：定义四类矩阵，分别为P、Ei、Qj、Rk。令：P＝diag(P11，P12，P13，P14)，Ei＝diag(Ei1，Ei2，Ei3，Ei4)；Qi＝diag(Qj1，Qj2，Qj3，Qj4)；Rk＝diag(Rk1，Rk2，Rk3，Rk4)；其中P11＝M1，P12＝M2，P13＝M3，P14＝M4，Eil＝M4(i+1)+l，Qj1＝M4(j+37)+l，Rkl＝M4(k+73)+l，i＝1，...，36，j＝1，...，36，k＝1，...，32，l＝1，...，4。步骤五：产生复合线性变化Ai，j，i＝1，...，36，j＝1，2，3。步骤六：构造第一个查找表，具体方法为：步骤6.1：设在第i轮计算中，第一个查找表的输入为yi＝(yi1，yi2，yi3，yi4）T。第一个查找表的构建方法如下：首先，yi经过线性变换作用，输出为：其中步骤6.2：将本轮计算的密钥rki隐藏在S盒中，设经过S盒作用后的输出为：步骤6.3：计算Qi*P*L*(zi1，zi2，zi3，zi4)T。记Hi＝QiPL＝(Hi1Hi2Hi3Hi4),Hij为32*8的矩阵，则：据上，可获得4个8bit到32bit的查找表：yij(→zij)→vij，j＝1，2，3，4。第一个查找表其中Hi＝QiPL＝(Hi1Hi2Hi3Hi4),Hij为32*8的矩阵，i＝1，...36，j＝1，...，4。步骤七：构造第二个查找表，具体方法为：设在第i轮中，第二个查找表的输入为si＝(si1，si2，si3，si4)和ti＝(ti1，ti2，ti3，ti4)。对于第1轮到第4轮计算，第二个查找表的构建方法如下：步骤7.1：计算RiP(si)和RiP(si)＝(Ri，1P1，1si，1，Ri，2P1，2si，2，Ri，3P1，3si，3，Ri，4P1，4si，4)；步骤7.2：计算对于第5轮到第32轮，第二个查找表的构建方法如下：步骤7.1：计算和步骤7.2：计算对于第33轮到第36轮，第二个查找表的构建方法如下：步骤7.1：计算和步骤7.2：计算据上，得到第二个查找表的构造为步骤八：设明文输入为(x0，x1，x2，x3)，经过36轮运算，最后输出的密文为(x39，x38，x37，x36)，每一轮根据已经建立的复合线性变化Ai，j,第一个查找表及第二个查找表按如下步骤进行加密运算：设第i轮的输入为(xi-1，xi，xi+1，xi+2)，其中xi-1，xi，xi+1，xi+2都为32bit。步骤8.1：利用复合线性变换Ai，1,Ai，2,Ai，3分别左乘xi，xi+1，xi+2，然后将结果进行异或，即：步骤8.2：计算yi＝(yi1，yi2，yi3，yi4)T经过查找表一变换后的结果，即：步骤8.3：计算si＝xi-1＝(si1，si2，si3，si4)T和ti＝(ti1，ti2，ti3，ti4)T经过查找表二变换后的结果，即：经过上述3步变换后，第i轮的输出xi+3＝(xi+3，1，xi+3，2，xi+3，3，xi+4，4)。进一步的，步骤一中是利用随机数发生器产生根密钥。进一步的，步骤二中是利用标准SM4算法的密钥扩展算法将128bit的根密钥扩展32个32bit的密钥。本专利技术的有益效果为：1.安全性：本专利技术设计的SM4白盒算法将密钥隐藏在查找表中，且利用线性变换对查找表进行混淆，采用线性变换的复合来抵抗查找表的合并分析，到达有效保护密钥的目的。2.效率高：原始SM4算法有大量矩阵乘法运算，而本专利技术设计的SM4白盒算法实现时主要采用查找表和异或运算，及少量的矩阵乘法运算，在执行效率上优于标准SM4算法。3.通用性强：本专利技术设计的SM4白盒算法和标准的SM4算法拥有相同的密文输出格式，故任何经过标准SM4加密后的数据可以直接使用本专利技术所设计的SM4白盒算法进行解密，或任何经过本专利技术所设计的SM4白盒算法进行加密后的数据可以直接使用标准SM4算法进行解密。附图说明图1为第i+1轮计算的实现加解密过程简略图，i＝0,…,35。具体实施方式本专利技术的设计构思是：将算法的每一轮分为三层，每一层利用输入或者输出变换进行混淆，层与层之间的输入输出变换部分抵消，含有密钥的那一层运算通过查找表来实现，密钥不显式的出现在算法中，且无法通过分析中间数据获取密钥。为了保证算法的输出为标准密文格式，同时保护算法初始轮和末轮密钥的安全性，我们在第一轮加入混淆矩阵P。然而，由于S盒非线性变换在经过异或、移位等线性操作之后将无法恢复，故在该矩阵经过S盒之前一定要将其先抵消，经过S盒之后再加入。本专利技术包括如下步骤：步骤一：产生一组128bit的字符串作为根密钥。优选的，采用随机数发生器产生一组128bit的字符串作为根密钥Key本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于余数系统的商密SM2加密算法的白盒软件实现方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：选取一个余数系统，该余数系统的余数基为β＝(p1，p2，...，pt),基β的动态范围满足ω＝p1p2p3…pt≤2

【技术特征摘要】
1.一种基于余数系统的商密SM2加密算法的白盒软件实现方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：选取一个余数系统，该余数系统的余数基为β＝(p1，p2，...，pt),基β的动态范围满足ω＝p1p2p3…pt≤2512；预先生成客户端私钥dA，将dA在β这组基下表示为dA＝(dA，1，dA，2，...，dA，t)，其中dA，i＝dAmodpi，i＝1，...，t；预先确定密文信息C,所述C＝C1||C2||C3，客户端和云服务器端预先确定β与dA作为椭圆曲线系统参数、确定椭圆曲线的基点G，其阶数为n；步骤二：从密文C中提取出C1；验证C1是否为椭圆曲线上的非无穷远点，如果是的话则将C1发送给云服务器端，否则跳出本流程；步骤三：云服务器端产生一个随机数k,且k∈[1，n-1]；步骤四：云服务器端计算椭圆曲线上的点P，P＝[k]*C1；步骤五：云服务器端计算k模n的逆k-1，即：k*k-1＝1modn；将k-1在β这组基下表示为其中i＝1、2...

【专利技术属性】
技术研发人员：周洁，白健，刘尚麟，安红章，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三十研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51