CAST-128分组密码算法的轮函数设计 题目描述： CAST-128是一种基于Feistel网络结构的分组密码算法，使用64位分组长度和40-128位可变密钥长度。今天我们将重点讲解其轮函数的设计，这是CAST-128算法的核心组成部分。 解题过程： CAST-128算法基础 CAST-128采用16轮的Feistel结构，每轮包含以下关键步骤： 将64位输入分成左右两部分（各32位） 右半部分经过轮函数F处理 结果与左半部分进行异或 左右部分交换 轮函数F的详细结构 轮函数F接收32位输入和轮密钥，包含三个主要步骤： 步骤1：密钥加法 将32位输入数据分成四个8位子块： D = D₁‖D₂‖D₃‖D₄（每个Dᵢ为8位） 将轮密钥分成四个8位子密钥： K = K₁‖K₂‖K₃‖K₄ 执行模2³²加法： Iᵢ = Dᵢ + Kᵢ mod 2³²（i=1,2,3,4） 步骤2：S盒替换 CAST-128使用8个不同的8×32位S盒（S₁到S₈）： 将I₁通过S₁盒替换：Ia = S₁[ I₁的高8位 ] 将I₂通过S₂盒替换：Ib = S₂[ I₂的高8位 ] 将I₃通过S₃盒替换：Ic = S₃[ I₃的高8位 ] 将I₄通过S₄盒替换：Id = S₄[ I₄的高8位 ] 步骤3：混合运算 执行复杂的位运算： 计算临时变量： A = Ia ⊕ Ib B = A + Ic mod 2³² C = B - Id mod 2³² 最终输出：F = (C <<< K₅) （其中<< <表示循环左移，K₅是移位数） S盒设计特点 CAST-128的S盒具有特殊设计： 基于 bent函数 构造 具有高度的非线性特性 能够有效抵抗差分和线性密码分析 每个S盒都是固定的预定义置换表 轮函数的安全性设计 混合使用模加法和异或运算，增强混淆效果 循环移位操作破坏位之间的线性关系 多轮迭代确保雪崩效应充分扩散 不同的S盒提供额外的非线性变换 轮函数在完整算法中的作用 在完整的16轮加密中，轮函数F： 确保每轮都产生充分的混淆和扩散 通过轮密钥的参与实现密钥相关性 与Feistel结构配合实现可逆加解密 这种轮函数设计使得CAST-128在保持较高安全性的同时，具有较好的软件执行效率，曾被用于早期PGP等安全系统中。