ARIA分组密码算法的密钥扩展过程

我将为您详细讲解ARIA分组密码算法的密钥扩展过程。ARIA是韩国标准的分组密码算法，采用SPN结构，支持128位、192位和256位三种密钥长度。

算法概述
ARIA的密钥扩展过程分为两个主要阶段：

1. 初始密钥素材生成
2. 轮密钥生成

详细步骤

第一步：初始密钥素材生成

根据密钥长度不同，初始密钥素材生成分为三种情况：

1. 128位密钥（CK1, CK2, CK3）：

   • 初始密钥K分为：KL = K的前8字节，KR = 0x0000...00（8字节全零）
   • 生成：W0 = KL ⊕ KR，W1 = FO(W0, CK1)
   • W2 = FE(W1, CK2)，W3 = FO(W2, CK3)

2. 192位密钥：

   • KL = K的前128位，KR = K的后64位拼接0x0000...00
   • 后续步骤与128位类似但使用不同的常数

3. 256位密钥：

   • KL = K的前128位，KR = K的后128位
   • 后续步骤与128位类似但使用不同的常数

其中FO和FE是ARIA的核心函数，CK1、CK2、CK3是预定义的常数。

第二步：轮密钥生成过程

ARIA共有12/14/16轮（对应128/192/256位密钥），每轮需要128位轮密钥：

1. 对于奇数轮（1,3,5,...）：

   • 轮密钥 = W_{i} ⊕ (W_{i+1} >> 19)
   • 其中i = (轮数+1)/2

2. 对于偶数轮（2,4,6,...）：

   • 轮密钥 = W_{i} ⊕ (W_{i+1} >> 19) ⊕ 0x0000...00
   • 其中i = 轮数/2 + 1

第三步：具体计算示例（以128位密钥为例）

假设初始密钥K = 0x000102030405060708090a0b0c0d0e0f

1. KL = 0x0001020304050607, KR = 0x0000000000000000
2. W0 = KL ⊕ KR = 0x0001020304050607
3. W1 = FO(W0, CK1) = SL1(S(W0 ⊕ CK1)) ⊕ CK1
4. W2 = FE(W1, CK2) = SL2(S(W1 ⊕ CK2)) ⊕ CK2
5. W3 = FO(W2, CK3) = SL1(S(W2 ⊕ CK3)) ⊕ CK3

其中：

• S()是S盒变换
• SL1、SL2是不同的线性变换
• CK1、CK2、CK3是ARIA标准定义的常数

第四步：轮密钥的具体生成

第1轮密钥：ek1 = W1 ⊕ (W2 >> 19)
第2轮密钥：ek2 = W2 ⊕ (W3 >> 19) ⊕ 0x0000...00
第3轮密钥：ek3 = W2 ⊕ (W3 >> 19)
...

安全性考虑
ARIA的密钥扩展设计确保了：

• 密钥雪崩效应：初始密钥的微小变化会导致所有轮密钥的巨大差异
• 无简单关系：轮密钥之间没有明显的代数关系
• 抵抗相关密钥攻击：通过复杂的非线性变换防止攻击

这个过程确保了ARIA算法在加密过程中每个轮次都使用不同的、与主密钥强相关的轮密钥，为算法提供了坚实的安全性基础。