一种计算机加密方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及计算机及信息安全领域，提供了一种计算机加密方法，用于安全快速地将明文数据加密成密文，同时提供了一种使用该方法的计算机加密系统，以通过多个部件并行加密。
【背景技术】
[0002]密码学是一门既古老又年轻的学科，其产生时间很早，到了现代，由于计算机的出现，密码学和计算机结合在一起，获得了极大的发展，现在的计算机及信息安全都依赖于计算机加密，因此安全且快速的计算机加密算法对于现代信息社会是极其重要的。
[0003]在密码学中，需要被加密的数据称为明文，加密后的数据称为密文。加密和解密算法通常都是在密钥的控制下进行的，分别称为加密密钥和解密密钥。如果加密密钥和解密密钥相同，或者可以由其中一个轻易推算出另一个，则称该算法为对称密码算法；如果不相同，并且从其中一个难以推算出另一个，则称为非对称密码算法。现在常用的非对称密码算法是RSA算法，该算法的安全性依赖于大整数分解的困难度，但是，随着现在计算机速度的不断提升，大整数分解的速度也越来越快，因此为了安全性，RSA算法所需的密钥长度也不断变长，由于非对称密码算法本身的加密时间就相对较长，在密钥长度变长后，加密耗时就变得更长，加密效率就变得更低。基于此，RSA算法通常只用于身份认证和数字签名领域，当需要大量加密计算时，通常优先考虑使用对称密码算法。对于对称密码算法，现在常用的是DES算法(包括DES算法的各种变形，例如3DES等)，但是，对DES算法的安全性疑虑一直存在，一方面是对其S盒选择的安全疑虑(由于S盒是NSA人为选择的，其选择标准没有公开，一直受到质疑)，另一方面由于DES算法是1972年提出的，这么多年来大量密码学研宄人员对其进行了大量研宄，通过这些研宄，攻击DES算法所需的计算量也在不断降低。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就在于克服现有技术的不足与缺陷，提供了一种新的计算机加密方法，该方法采用对称密码体制，并且不采用S盒这种人为选择的加密机制，而从纯数学上保证其加密的安全性。相对于现在常用的加密算法，本发明提供的方法不仅加密速度快，而且安全性高。
[0005]另一方面，基于上述加密方法，本发明还提出了一种计算机加密系统，该系统包括包括三个协同工作的部件:CPU，加密卡和一个USB-key，由每个部件完成加密算法的一部分内容，由于采用上述三个部件共同完成加密，基于该加密方法的特点，每个部件仅能获得其自己的一部分信息，因此提高了加密过程的安全性，即使攻击者获取了其中一个部件的控制权，如果不能获取其他两个部件的信息，也不会破坏整体的安全性。
【附图说明】
[0006]图1: 128位密钥K的表示
[0007]图2:本发明的计算机加密系统
【具体实施方式】
[0008]首先，我们假设二进制的明文P和密文C的位数都是64的倍数，如果不是64的倍数则补上前导0使得P的位数是64的倍数，则通过下述方法加密出的密文C的位数也是64的倍数。从而P和C可以按照如下表述的形式进行组织，分别划分成n个64位的块:
[0009]P = PiPaPs......Pn
[0010]C =......Cn
[0011]其中PjPCi都是64位的块(i = 1,2, 3,……,n)o
[0012]密钥K是一个128位数，划分成4个32的块，即
[0013]K = A1A2A3A4
[0014]其中Ai都是 32 位的块(i = 1，2，3，4)。
[0015]将AjP A 3连接，形成一个64位的块^，即B1= A人，将4和A 4连接，形成一个64位的块B2，即B2= A 2A4，将A3和A 2连接，形成一个64位的块B 3，即B3= A 3A2?另外，我们用I来表示密钥K的第i位，密钥K的表示可见图1。
[0016]另外，设置两个迭代映射h (x)和t2 (x)，如下:
[0017](x) = 1.19x, t2 (x) = x/1.29
[0018]对上述两个迭代映射的迭代用下式表示，我们用t(x) (y)来表示函数t(x)迭代y次，即:
[0019](x) (1) = (x),
[0020](x) (n) = (t: (x) (n-l))n>l
[0021]t2(x) (1) = t2(x),
[0022]t2(x) (n) = t2(t2(x) (n_l))n>l 时
[0023]上述两个迭代映射的参数(1.19和1.29)不是随意选择的，我们通过对1000以内所有可能的参数(精确到2位小数)进行演算和测试，发现1.19和1.29是雪崩效应最好的两个参数，并且满足严格雪崩准则和位独立准则。
[0024]具体的加密和解密过程如下:
[0025]1)设置变量b = 0，计算迭代映射的两个初始值\和Y 0,以及初始迭代次数I；，如下:
[0026]
[0027]YfBWL
[0028]T0= K60K61K62......K67
[0029]其中，符号?表不异或运算。
[0030]2)变量b增加1 (即b = b+1)，按照下式计算Xb，Yb和T b:
[0031]Xb= X h 十 C h 十 Y h
[0032]Yb= Yb—!十 Ch? B3
[0033]Tb= T H循环左移1位，
[0034]其中CQ= 0。
[0035]3)将迭代映射h (x)使用初始值Xb迭代T b次，结果记为t: (Xb) (Tb)，将迭代映射t2 (x)使用初始值Yb迭代T b次，结果记为12 (Yb) (Tb)。计算
[0036]Mb= t JXb) (Tb)mod 264
[0037]Nb= t2 (Yb) (Tb)mod 264
[0038]4)按照下式计算，加密/解密第b个明文/密文块，
[0039]Cb= S (P b)十 CV1 十 M b 十 N b
[0040]Pb= S-'(Cb十 Clrf 十 Mb十 Nb)
[0041]其中函数S可以是任意一个可逆函数，S—1就是S的逆函数，如果为了追求加密速度，则S可以选择一个计算简单的可逆函数。进一步的，S可以是现有技术中公知的加密函数(例如DES)，则S—1是其相应的解密函数，此时本算法就相当于在该加密函数S基础上增加的一层加密壳，从而隐藏了 S可能具有的安全缺陷，大大提高该加密函数S的安全性。
[0042]5)如果明文/密文还未处理完，则跳转到第2步，否则加密/解密结束。
[0043]基于上述加密方法，还可以设计一种新的计算机加密系统，如果图2，其主要包括三个协同工作的部件:CPU，加密卡和一个USB-key。
[0044]CPU是计算机自身的中央处理器，用户从加密厂商购买加密卡和USB-key，将加密卡通过PC1-E接口插入计算机的插槽内，此后加密卡就不再移动，而USB-key是用户个人持有的一个USB设备，在需要加密时，才由用户插入计算机的USB接口，由于本发明加密算法的特性，上述加密算法的各个步骤可以在不同的部件中完成，其中第I步由加密厂商完成，将计算出的Xtl和Y ο存储于加密卡中，将T C1存储于USB-key中；当进行数据加密或解密时，第2步的Xb和Yb由加密卡计算得出，再将结果发送给USB-key，Tb由USB-key计算得出，第3步也由USB-key计算完成，再将计算得到的Mb和Nb发送给处理器，最后由处理器完成第4步，由处理器将得到的密文发送给加密卡，最后由处理器进行第5步的判断，如果处理完，则结束计算，否则继续计算。
[0045]由于采用上述三个部件共同完成加密，基于该加密方法的特点，每个部件仅能获得其自己的一部分信息，因此提高了加密过程的安全性，即使攻击者获取了其中一个部件的控制权，如果不能获取其他两个部件的信息，也不会破坏整体的安全性。
【主权项】
1.一种计算机数据加密/解密方法，该方法将二进制的明文P加密为密文C，其中P的位数是64的倍数，并将P和C划分成η个64位的块，即 P = P1P2P3……Pn c = C1C2C3……Cn 密钥K是一个128位的数，划分成4个32位的块，即 K = A1A2A3A4 将AJP A 3连接，形成一个64位的块B i，即B1= A人，将4和A 4连接，形成一个64位的块B2，即B2= A 2A4，将A3和A 2连接，形成一个64位的块B 3，即B3= A 3A2，用Ki来表示密钥K的第i位； 设置两个迭代映射h (x)和t2 (x)，如下:h (X) = 1.19x, t2 (X) = x/1.29 所述方法的特征在于，其加密和解密的步骤如下: 1)设置变量b= O，计算迭代映射的两个初始值\和Y ο,以及初始迭代次数Ttl,如下: Χ0=Β1ΘΒ2ΦΒ3 Y0= BiffiB2 T0= K60K61K62......K67 其中，符号?表示异或运算； 2)变量b增加I(即b = b+Ι)，按照下式计算Xb，Yb和T b: \ — X b_l ? C b-1 田 Y b-1 Yb — Y b-! ? C b_j ffi B 3 Tb= TV1循环左移I位， 其中C。= Oo 3)将迭代映射h(x)使用初始值Xb迭代T b次，结果记为t ! (Xb) (Tb)，将迭代映射t2 (x)使用初始值Yb迭代T b次，结果记为12 (Yb) (Tb)。计算Mb= t i(Xb) (Tb)mod 264Nb= 12 (Yb) (Tb)mod 264 4)按照下式计算，加密/解密第b个明文/密文块， Cb= S(Pb)十 Ch 十 Mb十 NbPb= SlCb 十 Clri 十 Mb 十 Nb) 其中函数S可以是任意一个可逆函数，S—1就是S的逆函数。 5)如果明文/密文还未处理完，则跳转到第2步，否则方法结束。
2.如权利要求1所述的计算机数据加密/解密方法，其中函数S可以是一个公知的加密函数。
3.如权利要求1-2任意一项所述的计算机数据加密/解密方法，其中函数S是DES算法。
4.如权利要求1-3任意一项所述的计算机数据加密/解密方法，其中如果P的位数不是64的倍数，则对P补上前导0，使其位数成为64的倍数。
5.一种采用如权利要求1所述方法的计算机加密/解密系统，该系统包括三个协同工作的部件:CPU，加密卡和USB-key，其中CPU是计算机自身的中央处理器，加密卡通过PC1-E接口插入计算机的插槽内，此后加密卡就不再移动，而USB-key是用户个人持有的一个USB设备，在需要加密时，才由用户插入计算机的USB接口， 权利要求1所述的数据加密/解密方法的各个步骤在不同的部件中完成，其中第I步由加密卡和USB-key的生产厂商完成，将计算出的\和Y ^存储于加密卡中，将T ^存储于USB-key中；当进行数据加密或解密时，第2步的Xb和Yb由加密卡计算得出，再将结果发送给USB-key，Tb由USB-key计算得出，第3步也由USB-key计算完成，再将计算得到的Mb和Nb发送给CPU，然后由CPU完成第4步，由CPU将得到的密文发送给加密卡，最后由CPU进行第5步的判断，如果处理完，则结束计算，否则继续计算。
【专利摘要】本发明公开了一种计算机加密方法及系统，该方法采用对称密码体制，通过分块迭代的方式进行加密，不仅加密速度快，而且安全性高。该系统包括三个协同工作的部件：CPU，加密卡和一个USB-key，由每个部件完成加密算法的一部分内容，由于采用上述三个部件共同完成加密，基于该加密方法的特点，加密安全性得到极大地提高。
【IPC分类】H04L29-06, H04L9-06
【公开号】CN104821946
【申请号】CN201510229028
【发明人】徐静, 吴素芹, 徐森, 张成彬, 皋军, 刘其明
【申请人】盐城工学院
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年5月7日