PRESENT轻量级分组密码算法的轮函数设计
字数 2138 2025-12-18 23:01:25

PRESENT轻量级分组密码算法的轮函数设计

PRESENT是一种超轻量级分组密码算法，主要用于资源受限的环境，如RFID标签和传感器网络。它采用SPN（代换-置换网络）结构，分组长度为64位，支持80位或128位密钥。其核心设计理念是在保证足够安全性的前提下，实现极低的硬件实现成本和高能效。其轮函数是这一理念的集中体现，结构简单却有效。下面我将为你详细拆解其轮函数设计的每一步。

1. 算法背景与整体结构

  • 目标：在硬件上实现极小的面积和功耗，同时能抵抗已知攻击。
  • 参数：64位数据分组，31轮迭代（对于80位密钥版本；128位密钥版本为31轮，但密钥扩展不同）。
  • 基本流程：每轮运算由三个步骤顺序构成：轮密钥加（addRoundKey）、S盒代换（sBoxLayer）、线性置换（pLayer）。最后一轮略有不同，会额外进行一次轮密钥加。
  • 核心思想：通过大量（31轮）的简单、高效轮操作来积累足够的安全性，而非依赖少数复杂轮。

2. 轮函数第一步：轮密钥加（addRoundKey）

  • 操作：将64位的当前状态（State）与64位的本轮轮密钥进行按位异或（XOR） 操作。
  • 输入：64位状态（初始状态为明文）、64位轮密钥。
  • 输出：64位中间状态。
  • 细节：轮密钥来源于密钥扩展算法，每轮使用不同的64位密钥切片。此步骤向轮函数中注入密钥，是混淆密钥与数据的基本操作。
  • 公式表示：State = State ⊕ RoundKey

3. 轮函数第二步：S盒代换（sBoxLayer）

  • 操作：对第一步输出的64位数据进行非线性代换。
  • 方法：将64位状态划分为16个4位（即一个十六进制数）的小块。每个4位小块独立地通过一个固定的4位输入、4位输出的S盒进行查表替换。
  • S盒设计：PRESENT使用一个单一的、经过精心设计的4×4 S盒。其真值表如下： 
    输入 (十六进制): 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F
输出 (十六进制): C 5 6 B 9 0 A D 3 E F 8 4 7 1 2
  • 安全性作用：
    • 非线性：这是算法中唯一的非线性部件，对于抵抗线性密码分析和差分密码分析至关重要。
    • 轻量级：4×4的S盒非常小，硬件实现只需很少的门电路，远小于AES等算法中使用的8×8 S盒。
  • 结果：经过S盒代换后，数据的每个4位块都被混淆，输出新的64位状态。

4. 轮函数第三步：线性置换（pLayer）

  • 操作：对S盒代换输出的64位数据进行比特位置的重新排列（置换）。
  • 方法：PRESENT采用一个非常规则的比特置换。对于状态的第 i 比特（i 从0到63，i=0 为最左/最高有效位？这里需明确惯例。在PRESENT原始论文中，通常i=0是最右端/最低有效位），它将移动到新位置 P(i)。
  • 置换规则：P(i) = (i * 16) mod 63，对于 i = 0, 1, ..., 62；而 P(63) = 63。
  • 直观理解：
    • 将64位状态想象成一个由16个4位块（来自S盒输出）首尾拼接而成的长串。
    • 这个置换的效果是，将这16个块的相同位置的比特收集到一起，形成新的16个4位块。
    • 具体来说，原来第0、16、32、48位（如果从0开始计数）是16个块的“第0位”，置换后它们会成为新状态的第0个4位块（即0-3位？这里需要精确对应）。实际上，规则 P(i) 确保了这种“比特的重新分组”。
  • 安全性作用：
    • 扩散：这是算法的扩散层。它确保了一个S盒输出的影响（4位）在下一轮中能够迅速扩散到多个（实际上是所有4个）不同的S盒输入中。
    • 高效性：比特置换在硬件上不需要任何逻辑门，只需重新布线，成本几乎为零，完美符合轻量级设计目标。

5. 轮函数流程总结与迭代

  • 对于第1轮到第30轮（以80位密钥、31轮为例），每轮的操作序列为：
    State = pLayer( sBoxLayer( addRoundKey(State, RoundKey_i) ) )
  • 第31轮（最后一轮）：为了算法的对称性，最后一轮省略线性置换（pLayer），代之以一次额外的轮密钥加。即：
    State = addRoundKey( sBoxLayer( addRoundKey(State, RoundKey_31) ), RoundKey_32 )
  • 解密过程：由于SPN结构，解密需要逆操作：逆线性置换（pLayer^{-1}）、逆S盒（sBox^{-1}）以及轮密钥加（顺序与密钥使用顺序相反）。密钥扩展过程是可逆的，或者可以预计算所有轮密钥。

6. 设计精要分析

  • 安全性考量：31轮的设计是基于对线性、差分、代数等攻击进行充分安全分析后确定的，提供了足够的安全余量。
  • 轻量性体现：
    1. 微小S盒：单个4×4 S盒，复用16次。
    2. 无成本的置换：比特置换在硬件上就是导线连接。
    3. 简洁的轮密钥加：仅需64个异或门。
  • 整体配合：S盒提供非线性，置换提供快速扩散。经过多轮迭代，实现了强大的混淆和扩散效果。

通过以上步骤，PRESENT的轮函数展示了如何用极简单的组件，通过巧妙的组合和多轮迭代，构建出一个适用于严苛硬件环境的、安全的密码原语。其设计哲学对后续的轻量级密码（如LED、Piccolo等）产生了深远影响。

PRESENT轻量级分组密码算法的轮函数设计 PRESENT是一种超轻量级分组密码算法，主要用于资源受限的环境，如RFID标签和传感器网络。它采用SPN（代换-置换网络）结构，分组长度为64位，支持80位或128位密钥。其核心设计理念是在保证足够安全性的前提下，实现极低的硬件实现成本和高能效。其轮函数是这一理念的集中体现，结构简单却有效。下面我将为你详细拆解其轮函数设计的每一步。 1. 算法背景与整体结构 目标 ：在硬件上实现极小的面积和功耗，同时能抵抗已知攻击。 参数 ：64位数据分组，31轮迭代（对于80位密钥版本；128位密钥版本为31轮，但密钥扩展不同）。 基本流程 ：每轮运算由三个步骤顺序构成：轮密钥加（addRoundKey）、S盒代换（sBoxLayer）、线性置换（pLayer）。最后一轮略有不同，会额外进行一次轮密钥加。 核心思想 ：通过大量（31轮）的简单、高效轮操作来积累足够的安全性，而非依赖少数复杂轮。 2. 轮函数第一步：轮密钥加（addRoundKey） 操作 ：将64位的当前状态（State）与64位的本轮轮密钥进行按位 异或（XOR） 操作。 输入 ：64位状态（初始状态为明文）、64位轮密钥。 输出 ：64位中间状态。 细节 ：轮密钥来源于密钥扩展算法，每轮使用不同的64位密钥切片。此步骤向轮函数中注入密钥，是混淆密钥与数据的基本操作。 公式表示 ： State = State ⊕ RoundKey 3. 轮函数第二步：S盒代换（sBoxLayer） 操作 ：对第一步输出的64位数据进行 非线性代换 。 方法 ：将64位状态划分为16个4位（即一个十六进制数）的小块。每个4位小块独立地通过一个固定的4位输入、4位输出的 S盒 进行查表替换。 S盒设计 ：PRESENT使用一个单一的、经过精心设计的4×4 S盒。其真值表如下： 安全性作用 ： 非线性 ：这是算法中唯一的非线性部件，对于抵抗线性密码分析和差分密码分析至关重要。 轻量级 ：4×4的S盒非常小，硬件实现只需很少的门电路，远小于AES等算法中使用的8×8 S盒。 结果 ：经过S盒代换后，数据的每个4位块都被混淆，输出新的64位状态。 4. 轮函数第三步：线性置换（pLayer） 操作 ：对S盒代换输出的64位数据进行 比特位置的重新排列（置换） 。 方法 ：PRESENT采用一个非常规则的比特置换。对于状态的第 i 比特（ i 从0到63， i=0 为最左/最高有效位？这里需明确惯例。在PRESENT原始论文中，通常 i=0 是最 右 端/最低有效位），它将移动到新位置 P(i) 。 置换规则 ： P(i) = (i * 16) mod 63 ，对于 i = 0, 1, ..., 62 ；而 P(63) = 63 。 直观理解 ： 将64位状态想象成一个由16个4位块（来自S盒输出）首尾拼接而成的长串。 这个置换的效果是，将这16个块的 相同位置 的比特收集到一起，形成新的16个4位块。 具体来说，原来第0、16、32、48位（如果从0开始计数）是16个块的“第0位”，置换后它们会成为新状态的第0个4位块（即0-3位？这里需要精确对应）。实际上，规则 P(i) 确保了这种“比特的重新分组”。 安全性作用 ： 扩散 ：这是算法的扩散层。它确保了一个S盒输出的影响（4位）在下一轮中能够迅速扩散到多个（实际上是所有4个）不同的S盒输入中。 高效性 ：比特置换在硬件上不需要任何逻辑门，只需重新布线，成本几乎为零，完美符合轻量级设计目标。 5. 轮函数流程总结与迭代 对于第1轮到第30轮（以80位密钥、31轮为例），每轮的操作序列为： State = pLayer( sBoxLayer( addRoundKey(State, RoundKey_i) ) ) 第31轮（最后一轮） ：为了算法的对称性，最后一轮 省略 线性置换（pLayer），代之以一次额外的轮密钥加。即： State = addRoundKey( sBoxLayer( addRoundKey(State, RoundKey_31) ), RoundKey_32 ) 解密过程 ：由于SPN结构，解密需要逆操作：逆线性置换（ pLayer^{-1} ）、逆S盒（ sBox^{-1} ）以及轮密钥加（顺序与密钥使用顺序相反）。密钥扩展过程是可逆的，或者可以预计算所有轮密钥。 6. 设计精要分析 安全性考量 ：31轮的设计是基于对线性、差分、代数等攻击进行充分安全分析后确定的，提供了足够的安全余量。 轻量性体现 ： 微小S盒 ：单个4×4 S盒，复用16次。 无成本的置换 ：比特置换在硬件上就是导线连接。 简洁的轮密钥加 ：仅需64个异或门。 整体配合 ：S盒提供非线性，置换提供快速扩散。经过多轮迭代，实现了强大的混淆和扩散效果。 通过以上步骤，PRESENT的轮函数展示了如何用极简单的组件，通过巧妙的组合和多轮迭代，构建出一个适用于严苛硬件环境的、安全的密码原语。其设计哲学对后续的轻量级密码（如LED、Piccolo等）产生了深远影响。