CREST分组密码算法
字数 860 2025-10-30 11:52:22

CREST分组密码算法

我将为您讲解CREST分组密码算法的设计与实现细节。CREST是由中国密码学者设计的一种轻量级分组密码算法，特别适合资源受限环境。

题目描述：请详细解释CREST分组密码算法的整体结构、轮函数设计、密钥扩展算法，并分析其安全性特点。

解题过程：

  1. 算法概述
  • CREST是一种SPN（代换-置换网络）结构的分组密码
  • 分组长度：64位
  • 密钥长度：80位（支持128位扩展）
  • 轮数：31轮
  • 设计目标：在保证安全性的同时实现硬件高效性
  1. 轮函数结构
    每轮包含四个步骤：
轮输入 → 轮密钥加 → S盒变换 → 行移位 → 列混淆 → 轮输出
  1. 轮密钥加（AddRoundKey）
  • 将64位轮密钥与64位状态进行异或操作
  • 轮密钥从80位主密钥通过密钥扩展算法生成
  1. S盒变换（SubBytes）
  • 使用4×4的S盒进行非线性变换
  • 将64位状态分成16个4位块，每个块通过S盒替换
  • S盒设计基于有限域GF(2⁴)的乘法逆运算
  • 具体S盒值：[12, 5, 6, 11, 9, 0, 10, 13, 3, 14, 15, 8, 4, 7, 1, 2]
  1. 行移位（ShiftRows）
  • 将64位状态排列为4×4的nibble矩阵
  • 第i行循环左移i个位置（i=0,1,2,3）
  • 具体操作：
原始矩阵：    移位后：
a00 a01 a02 a03    a00 a01 a02 a03
a10 a11 a12 a13    a11 a12 a13 a10  
a20 a21 a22 a23    a22 a23 a20 a21
a30 a31 a32 a33    a33 a30 a31 a32
  1. 列混淆（MixColumns）
  • 对每列应用线性变换
  • 使用MDS（最大距离可分）矩阵进行扩散
  • 变换矩阵为：
[1, 1, 0, 1]
[1, 1, 1, 0]  
[0, 1, 1, 1]
[1, 0, 1, 1]
  • 在GF(2⁴)上定义，不可约多项式为x⁴ + x + 1
  1. 密钥扩展算法
  • 输入80位主密钥K
  • 将K分为16位寄存器K79~K0
  • 每轮密钥生成步骤：
    a. 取高64位K79~K16作为轮密钥
    b. 寄存器左移13位
    c. 对K79~K76应用S盒变换
    d. 轮常数与K50~K46异或
  1. 安全性分析
  • 31轮设计可抵抗差分和线性密码分析
  • S盒具有最佳的非线性度（NL=4）
  • 列混淆提供完整的扩散性
  • 密钥扩展算法具有足够的非线性
  1. 实现特点
  • 硬件实现仅需约2000门电路
  • 软件实现使用位操作和查表优化
  • 适合物联网设备、RFID标签等资源受限场景

这个算法在轻量级密码领域具有重要地位，平衡了安全性和效率要求。

CREST分组密码算法 我将为您讲解CREST分组密码算法的设计与实现细节。CREST是由中国密码学者设计的一种轻量级分组密码算法，特别适合资源受限环境。 题目描述：请详细解释CREST分组密码算法的整体结构、轮函数设计、密钥扩展算法，并分析其安全性特点。 解题过程： 算法概述 CREST是一种SPN（代换-置换网络）结构的分组密码 分组长度：64位 密钥长度：80位（支持128位扩展） 轮数：31轮 设计目标：在保证安全性的同时实现硬件高效性 轮函数结构 每轮包含四个步骤： 轮密钥加（AddRoundKey） 将64位轮密钥与64位状态进行异或操作 轮密钥从80位主密钥通过密钥扩展算法生成 S盒变换（SubBytes） 使用4×4的S盒进行非线性变换 将64位状态分成16个4位块，每个块通过S盒替换 S盒设计基于有限域GF(2⁴)的乘法逆运算 具体S盒值：[ 12, 5, 6, 11, 9, 0, 10, 13, 3, 14, 15, 8, 4, 7, 1, 2 ] 行移位（ShiftRows） 将64位状态排列为4×4的nibble矩阵 第i行循环左移i个位置（i=0,1,2,3） 具体操作： 列混淆（MixColumns） 对每列应用线性变换 使用MDS（最大距离可分）矩阵进行扩散 变换矩阵为： 在GF(2⁴)上定义，不可约多项式为x⁴ + x + 1 密钥扩展算法 输入80位主密钥K 将K分为16位寄存器K79~K0 每轮密钥生成步骤： a. 取高64位K79~K16作为轮密钥 b. 寄存器左移13位 c. 对K79~K76应用S盒变换 d. 轮常数与K50~K46异或 安全性分析 31轮设计可抵抗差分和线性密码分析 S盒具有最佳的非线性度（NL=4） 列混淆提供完整的扩散性 密钥扩展算法具有足够的非线性 实现特点 硬件实现仅需约2000门电路 软件实现使用位操作和查表优化 适合物联网设备、RFID标签等资源受限场景 这个算法在轻量级密码领域具有重要地位，平衡了安全性和效率要求。