一種基于查表和擾動置亂相結(jié)合的白盒密碼非線性編碼保護方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設及信息安全領(lǐng)域，具體設及一種基于查表和擾動置亂相結(jié)合的白盒密碼 非線性編碼保護方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在傳統(tǒng)的密碼算法與安全協(xié)議的設計和實現(xiàn)，一般是假定密碼算法的運行環(huán)境終 端是安全的、可信的，整個系統(tǒng)的安全性在于密鑰的保密性。隨著數(shù)字化信息技術(shù)的不斷發(fā) 展，研究發(fā)現(xiàn)密碼軟件通常運行在一個不安全的環(huán)境中，比如惡意病毒和不誠實用戶的存 在，在運種環(huán)境下，攻擊者可W通過觀察或執(zhí)行密碼軟件，很容易捕獲密鑰信息，一個新的 安全挑戰(zhàn)是：在軟件代碼開放式的環(huán)境下，如何把密鑰信息直接隱藏于算法的實現(xiàn)中，并使 攻擊者無法抽取出密鑰。針對運個問題，化OW等人首先提出了白盒攻擊環(huán)境（White-Box Attack Context):攻擊者對密碼算法的軟件執(zhí)行過程完全可見的環(huán)境。在運種環(huán)境下，攻 擊者通過觀察或執(zhí)行密碼程序，很容易提取密鑰。而白盒密碼的主要目的是為了在白盒攻 擊環(huán)境中保護密鑰，防范攻擊者利用密碼軟件執(zhí)行過程捕獲密鑰信息。白盒密碼的基本設 計思想是：對于給定的密碼算法和密鑰信息，明文變換到密文的映射也就確定了；把明文 到密文的映射進行置亂編碼（ob化scation encoding),密碼算法的執(zhí)行過程通過查找表的 方法來完成，密鑰隱藏在表格中，但是攻擊者無法由查找表抽取出密鑰。然而，目前有關(guān)白 盒密碼的方案都存在一個共同問題，即利用查找表的輸入輸出特點，消除內(nèi)輪置亂編碼的 非線性部分后，而外置編碼僅剩下線性置亂運算，因此在白盒條件下被攻破所需的計算量 較小，密碼的安全性仍需進一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種基于查表和擾動置亂相結(jié)合的 白盒密碼非線性編碼保護方法，其內(nèi)置編碼與外置編碼同時采用非線性雙射變換實現(xiàn)，從 而能抵抗代數(shù)差值攻擊，具有安全性高的特點。
[0004] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案：
[0005] 一種基于查表和擾動置亂相結(jié)合的白盒密碼非線性編碼保護方法，包括如下步 驟：
[0006] 1)密碼算法運行過程中的32比特敏感變元平均分為四組，每組8比特，即 (X〇,0, X。, 1，x〇,2, x〇,3)，并依次經(jīng)過狂.化.幻，(?11非線性置亂；
[0007] 2)加入擾亂信息（β>^Υ，〇〇，運里我們選取只加入1組擾亂信息作為說明，計算 ?Τ= F(x 0,0, χ〇,ι，χ〇,2, x〇,3)作為初始擾亂項，其中F為32比特到8比特的映射； 陽00引如將步驟1)和步驟。的輸出依次經(jīng)過了3, 了2, Ti，T。，Φ*變換；
[0009] 4)修改列混淆變換（MixColumns)操作，修改后的MixColumns操作相對于原始的 4個輸入塊作用仍然相同，設及到的擾亂信息在經(jīng)過MixColumns操作后消除。將3)所有輸 出結(jié)果做列混淆變換（MixColumns);
[0010] W將步驟4)的輸出結(jié)果依次經(jīng)過93,〇2,〇^，〇。非線性置換，且輸出結(jié)果作為密 碼算法的下一輪迭代步驟中的輸入，即對5個密碼塊進行操作，也就是在原始密碼算法操 作的基礎(chǔ)上加上混亂項的個數(shù)，從而得到白盒密碼的最終輸出結(jié)果。
[0011] 步驟2)中，F(xiàn)映射為哈希算法。
[0012] 步驟3)中，改變原密碼算法的加解密流程中每一輪的邊界，W AES算法為例：改 變AES的輪邊界后，把AddRoun化巧和SubB^es組合在一起，運兩個步驟組合起來可W用 T-Box來表示。T-Box的計算公式如下：
[001引其中，Ki,/為第r輪在單元（ij)的子密鑰，sr(ij)表示單元（ij)在經(jīng)過 ShiftRows操作后的位置，S表示AES的S盒。
[0016] 步驟4)中，MixColumn操作每一次作用在一列上，可W用一個32X32(比特）的矩 陣MC乘W-個32比特的列向量來表示。如果整個MixColumn用一個表格來表示，運個表格 的大小為232X 32 = 16GB。為了防止用如此之大的查找表，把MC按列分成2部分，MixColumn 操作可W用如下公式表示：
[0017]
C3) 陽0化]其中，MC為MixColumn的表格表示方式，MCe、MCi為MC的左右兩部分。
[0019] 因此，MixColumns的計算可W拆分成2個16比特到32比特的變換組成，然后將2 個變換結(jié)果進行異或得到最后的MixColumn結(jié)果。
[0020] 其中，（β*，γ，Φ*)為非線性擾亂信息。運里，Φ*為一個由0多項式生成的，在絕 大多數(shù)情況下取值固定為Θ的多項式。因此可W利用運一個之前已經(jīng)固定好的取值來構(gòu) 造 MixColumns矩陣，使得該值在經(jīng)過MixColumns操作后對原本的矩陣乘法沒有影響，即為 零元。由Φ可角定的固定值Θ運里同樣作為秘密信息在實現(xiàn)時確定。
[0021] 本發(fā)明的有益效果：
[0022] 本發(fā)明一種基于查表和擾動置亂相結(jié)合的白盒密碼非線性編碼保護方法，內(nèi)置編 碼與外置編碼同時采用非線性雙射變換，由于單個S盒的代數(shù)次數(shù)不超過8次，且列混淆部 件和外置放射置亂編碼并不會提高代數(shù)次數(shù)，故本發(fā)明所需的運算較小；此外，本發(fā)明在面 對外部代數(shù)插值攻擊時，不會直接恢復主密鑰，而是構(gòu)建出一個等價的解密布爾系統(tǒng)，因此 本發(fā)明的保密性和安全性更強。
【附圖說明】
[0023] 圖1為一種基于查表和擾動置亂相結(jié)合的白盒密碼非線性編碼保護方法的關(guān)鍵 部件的白盒設計圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的闡述，但不是對本發(fā)明的限定。 陽〇2引實施例：
[00%] -種基于查表和擾動置亂相結(jié)合的白盒密碼非線性編碼保護方法，包括如下步 驟：
[0027] 1)密碼算法運行過程中的32比特敏感變元平均分為四組，每組8比特，即 (X。,。，X〇,l，X〇,2, X〇,3)，并依次經(jīng)過狂，狂-，貧，Q;非線性置亂；
[0028] 2)加入擾亂信息（β^^Υ，〇〇，運里我們選取只加入1組擾亂信息作為說明，計算 0 F(x 0,0, χ〇,ι，χ〇,2, x〇,3)作為初始擾亂項，其中F為32比特到8比特的映射；
[0029] 如將步驟1)和步驟。的輸出依次經(jīng)過了3, 了2, Ti，T。，Φ*變換；
[0030] 4)修改列混淆變換（MixColumns)操作，修改后的MixColumns操作相對于原始的 4個輸入塊作用仍然相同，設及到的擾亂信息在經(jīng)過MixColumns操作后消除。將3)所有輸 出結(jié)果做列混淆變換（MixColumns);
[00川 5)將步驟4)的輸出結(jié)果依次經(jīng)過93,02,0^，0。非線性置換，且輸出結(jié)果作為密 碼算法的下一輪迭代步驟中的輸入，即對5個密碼塊進行操作，也就是在原始密碼算法操 作的基礎(chǔ)上加上混亂項的個數(shù)，從而得到白盒密碼的最終輸出結(jié)果。
[0032] 步驟2)中，F(xiàn)映射為哈希算法；
[0033] 步驟3)中，改變原密碼算法的加解密流程中每一輪的邊界，W AES算法為例：改 變AES的輪邊界后，把AddRoun化巧和SubB^es組合在一起，運兩個步驟組合起來可W用 T-Box來表示。T-Box的計算公式如下：
陽036] 其中，Ki,/為第r輪在單元（i,如的子密鑰，sr (i,如表示單元（i,如在經(jīng)過 ShiftRow