SEA加密算法

2022-10-28

我们今天给大家介绍一种新的分组对称加密算法- SEA(Smart Encryption Algorithm，即灵巧型加密算法)。其核心是一种基于Markov转移的具有较强非线性的圈函数，其中还蕴含了两种不相容的群运算，使得算法能达到必要的混乱和扩散。该加密算法全部运算基于字节，占有的存储量低，故易于软硬件实现，特别适合于智能卡上的运用。

一、 SEA加密算法描述

SEA加密算法主体结构为多轮Feistel网络结构。该密码算法全部运算基于子节，仅有模256加和异或两种运算。算法的核心部件是B函数，它使得算法具有强非线性特性。以下“+”表示按字节加（即模256加），“⊕”表示异或。

B函数的输入输出均为8字节，64比特。B函数的描述为：将输入的64比特看作是位矩阵，位矩阵的每一行依次对应一个字节。先根据输入的64比特的前3比特（确定行位置）和最后3比特（确定列位置）确定在位矩阵中的一个初始转换点。然后将输入的64比特分组，每4比特为一组，称这些分组为转移方向控制组。接下来则从初始转换点开始，按照每组（即转移方向控制组）的值确定的转移方向转移控制规律见图1。

SEA加密算法

从当前比特位转移到新比特位上去，对被历经的比特位取反。每个转移方向控制组对应一次转移操作。转移操作越界时在位矩阵的边界处反射。反复进行上述操作直到转移操作次数达到给定要求。本加密算法中要求转移次数最少为16次，推荐使用32次。达到给定的转移次数后，当前的位矩阵即为B函数的输出。B函数的数学描述式为：

其中Dci=a4i-4a4i-3a4i-2 a4i-1为第i次转移时的转移方向控制组，C为取反操作，t(t≥16)为转移的总次数。操作过程中，若i> 16，则i=i- 16 。

例如：设当前的转移方向控制组Dci=1 001，则在图1中，本次转移将从中心点跳转到标注为“11"的比特位上，且该比特位取反。接着下一次的转移将以“11”点为中心向它周围的16个方向之一跳转。

从B函数的描述可以看出，输入的64bit中若有一个比特位发生变化，则受该比特位所在的转移控制分组的影响，之后的所有转移操作所历经的比特位将发生变化，这就使得输入的一个比特位变化将对输出的多个比特位产生影响，轮迭代时就能更快的产生雪崩效应。

设X，Y，分别为8字节的二进制数据块。令Y=（X0，X1，…，X7），Y=（Yo，Y1，∧，Y7）定义圈函数f为：

由B函数的定义可知，B函数的实质即是产生一个随机数并与输入相异或，即B(X)=X⊕Rnd( X)。那么f函数可等价描述为：

可见f函数中包含了按字节加（即模256加）和异或（即模2加）两种不相容的群运算。这使得算法具有较强的置乱效果。

加密过程：

SEA的加密为r轮Feistel网络结构加密。

在加密的第i轮中，令输人为Li，Ri（各8字节），轮子密钥为Rk。，轮子密钥长度为64bit。注意，r轮后输出的左右两半部分不交换。有：

解密过程：解密过程是加密过程的逆。由Feistel网络结构可知，解密时颠倒白化子密钥和轮子密钥顺序，加密即变成解密。具体过程不再详述。

密钥的扩展方案：本加密算法可选的种子密钥长度分别为128bit，192bit和256bit。

进行密钥编排时，令LengthOfKey为种子密钥长度，取l= LengthOfKey/64。r为Feistel网络结构加密轮数。三种密钥长度下r分别取值6，9和12。Rki为轮子密钥。有：

SEA加密算法

二、雪崩效应测试

好的加密算法应使密文的每一位和明文以及密钥的每一位有关，即当明文或密钥有一个比特位发生变化时，密文应有半数左右的比特位发生变化，这就是所谓的雪崩效应。对本算法进行明文的雪崩效应测试时，随机选择10 000个明文分组，用几个不同的密钥加密，对每个明文分组变化1bit后加密所得的密文进行x2拟合优度检定。同理，进行密钥的雪崩效应测试时，随机选择10 000个密钥对几个不同的明文加密，对每个密钥变化lbit后加密所得的密文进行x2拟合优度检定。加密时选择128bit长的种子密钥。在不同的显著性水平下，检定达到拟合优度的分组数百分比（设为λ）。二者的测试结果如表1、表2。

SEA加密算法

三、速度测试

在主频为Pentium - 266MHz的计算机上用ANSIC编写的加解密程序进行速度测试。测试结果如下，见表3。

SEA加密算法

本加密算法的最大特点在于描述简单，没有复杂难懂的计算，这样不仅利于软硬件实现，而且有利于算法的安全性分析。从雪崩效应测试的结果来看，本算法具有良好的明文雪崩效应和密钥雪崩效应，这得益于圈函数的非线性特性设计，它能使输入的一个比特位变化将在2轮迭代后影响输出的每一位，因此算法经过较少轮数的迭代后就能达到较高的安全性。但根据速度测试的结果来看，本算法的加解密速度与现有的分组算法相比不是很快，而且当B函数中转移次数较大时，加解密速度将进一步受到影响，因此在追求安全性和高效性时，不得不作个折衷。

小知识之雪崩效应

雪崩效应就是一种不稳定的平衡状态也是加密算法的一种特征，它指明文或密钥的少量变化会引起密文的很大变化，就像雪崩前，山上看上去很平静，但是只要有一点问题，就会造成一片大崩溃。可以用在很多场合对于Hash码，雪崩效应是指少量消息位的变化会引起信息摘要的许多位变化。