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申请/专利权人：桂林电子科技大学

摘要：本发明公开了一种基于NFSR和钟控双LFSR的流密码实现方法，包括设计流密码算法总体结构；设计LFSR部件；使用Grain‑128AEAD算法中的128比特状态的NFSR；设计算法结构输出函数；算法初始化；生成密钥流；算法加解密的步骤。本发明方法使用两个LFSR，在初始化阶段由NFSR控制LFSR的选择，NFSR与LFSR相互影响，并在密钥流生成阶段使用一个额外的钟控函数控制LFSR的选择，使初始向量和密钥混淆和扩散的更充分，有效抵抗时间‑存储‑数据权衡攻击，提高算法安全性。密钥流初始化阶段采用288轮迭代，其输出函数平衡，能够有效抵抗平凡的统计攻击、强攻击、一般猜测攻击等。

主权项：1.基于NFSR和钟控双LFSR的流密码实现方法，其特征在于，包括如下步骤：1设计流密码算法总体结构采用LFSR和NFSR的串联结构，并与非线性的滤波函数结合混合两种寄存器的状态，在不同阶段设置不同函数进行状态更新并选择相应部件参与计算，具体方法如下：1.1使用两个LFSR部件，提供生成有良好的统计特性的基础源序列；在算法运行过程中，通过钟控选择其中的一个LFSR部件；1.2使用1个NFSR部件，NFSR为算法提供非线性，掩盖掉LFSR的线性特征；1.3算法输出使用非线性的滤波函数，混合两个寄存器的状态，进一步提供算法的非线性；1.4设置一个128比特的初始密钥，以及两个64比特的互补的初始向量；将128比特的初始密钥加载到NFSR，两个64比特的互补的初始向量分别加载到2个LFSR中，在初始化过程中，滤波函数输出的比特，参与到NFSR和LFSR的状态更新，并且由NFSR控制LFSR的选择，经过288次迭代后，开始密钥流的生成；密钥流生成过程中，钟控函数使用两个LFSR中的状态比特，控制选择LFSR的参与；每次迭代，算法输出1比特的密钥；2设计LFSR部件使用两个LFSR部件，其中，LFSR1为78比特，更新函数包括4个抽头；LFSR2为82比特，更新函数包含6个抽头；并设置钟控函数完成输出控制，具体方法如下：2.178比特的LFSR1以表示，其中表示t时刻LFSR1的第i个状态位，LFSR1的本原反馈多项式表示为f1x；设置f1x＝1+x+x2+x7+x78；LFSR1的更新函数为其中表示在t时刻LFSR1的更新函数产生的值；2.282比特的LFSR2以表示，其中表示t时刻LFSR2的第i个状态位，LFSR2的本原反馈多项式表示为f2x；设置f2x＝1+x+x4+x6+x7+x8+x82；LFSR2相应的更新函数为其中表示在t时刻LFSR2的更新函数产生的值；2.3设置控制LFSR的选择的钟控函数为wt，wt是以两个LFSR的状态比特为输入的5输入1输出的布尔函数，当wt的输出为0时，选择LFSR1参与运算；当wt的输出为1时，选择LFSR2参与运算；3使用Grain-128AEAD算法中的128比特状态的NFSR部件，具体方法如下：128比特的NFSR以表示，其中表示t时刻NFSR的第i个状态位比特，NFSR的反馈多项式表示为gx，则gx＝1+x32+x37+x72+x102+x128+x44x60+x61x125+x63x67+x69x101+x80x88+x110x111+x115x117+x46x50x58+x103x104x106+x33x35x36x40NFSR对应的更新函数为： 其中表示在t时刻NFSR的更新函数产生的值；4设计算法结构输出函数输出函数为非线性函数，混合两种寄存器的状态，以进一步增强密码的非线性性质、良好的相关性以及统计特性，具体方法如下：4.1输出函数将NFSR和被选择的LFSR的状态混合到一起，由一个非线性函数ht和一个线性部分组成，其中，其中表示t时刻NFSR的第i个状态位比特，表示t时刻被选择的LFSR的第i个状态位比特；线性部分为：其中表示t时刻NFSR的第j个状态位比特；4.2设置输出函数为zt，zt为t时刻输出的密钥流比特，z为输出函数在t287时间内产生的密钥流；5算法初始化初始化阶段，将初始向量和密钥加载到寄存器中，并在迭代过程中通过NFSR控制LFSR的选择，具体方法如下：5.1读取128比特初始密钥K＝k0,k1,…,k127和两个64比特初始向量其中IV2为IV1的补码；5.2将128比特的初始密钥加载到NFSR中，即将64比特的初始向量IV1加载到LFSR1的前64比特，后14比特用1和0填充，其中除最后一位外，其余位都填充1；64比特的初始向量IV2加载到LFSR2的前64比特，后18比特用1和0填充，其中除最后一位外，其余位都填充1；5.3设置迭代变量t＝0；5.4将输出函数的输出比特与NFSR更新函数的输出、和在该轮迭代中被NFSR选择的LFSR的更新函数的输出进行异或，具体步骤如下：5.4.1取输出函数zt的ht函数表达式中的变量，即NFSR的3个比特和LFSR1的10个比特计算得到ht的值；5.4.2取输出函数zt的线性部分表达式中的变量，即NFSR的7个比特和LFSR1的1个比特与5.4.1得到的ht值异或，得到输出比特zt；5.4.3将LFSR1的更新函数的值与5.4.2得到的输出比特zt异或，并更新LFSR1，其中，5.4.4取LFSR1的第一个比特和输出比特zt与NFSR的更新函数的输出值异或，更新NFSR，其中，转到步骤5.4.9；5.4.5取输出函数zt的ht函数表达式中的变量，即NFSR的3个比特和LFSR2的10个比特计算得到ht的值；5.4.6取输出函数zt的线性部分表达式中的变量，即NFSR的7个比特和LFSR2的1个比特与5.4.5得到的ht值异或，得到输出比特zt；5.4.7将LFSR2的更新函数的值与5.4.6得到的输出比特zt异或，并更新LFSR2，其中，5.4.8取LFSR2的第一个比特和输出比特zt与NFSR的更新函数的输出值异或，更新NFSR，其中，5.4.9若t≠288，t＝t+1，取NFSR的更新函数的输出比特，若输出比特为0，选择LFSR1，转步骤5.4.1；若输出比特为1，选择LFSR2，转步骤5.4.5；若t＝288，结束迭代，转5.4.10；5.4.10结束迭代，完成初始化；6生成密钥流通过初始化迭代，输出密钥比特；并以2个LFSR的状态比特作为钟控函数的输入完成对LFSR的选择，具体方法如下：6.1假设明文为m，长度为p；6.2t＝288；6.3从LFSR1，LFSR2中选取出5个比特，进行运算，设置计算结果为wt，若wt为0，则下一步选择LFSR1，转步骤6.4；若wt为1，则下一步选择LFSR2，转步骤6.8；6.4更新LFSR1，令6.5取LFSR1的第一个比特参与NFSR的更新，令6.6取输出函数zt的ht函数表达式中的变量，即NFSR的3个比特和LFSR1的10个比特计算得到ht的值；6.7取输出函数zt的线性部分表达式中的变量，即NFSR的7个比特和LFSR1的1个比特与步骤6.6得到的ht值异或，得到输出zt；转步骤6.12；6.8更新LFSR2，令6.9取LFSR2的第一个比特参与NFSR的更新，令6.10取输出函数zt的ht函数表达式中的变量，即NFSR的3个比特和LFSR2的10个比特计算得到ht的值；6.11取输出函数zt的线性部分表达式中的变量，即NFSR的7个比特和LFSR2的1个比特与步骤6.10得到的ht值异或，得到输出比特zt；6.12t＝t+1，p＝p-1，若p≠0，转步骤6.3；若p＝0，转步骤6.13；6.13结束迭代，完成密钥流的生成；7算法加解密加密时，将密钥流逐比特和明文比特异或产生密文；解密时，将密钥流和密文异或恢复明文，具体方法如下：7.1针对算法的加密实现，具体过程如下；7.1.1输入明文m；7.1.2将明文m与密钥流z逐比特进行异或，得到密文c，即密文中的每个比特操作为ci＝mi⊕zi，ci为密文的第i比特，mi为明文的第i比特，zi为密钥流的第i比特；7.2针对算法的解密实现，具体过程如下；7.2.1输入密文c；7.2.2将密文c与密钥流z逐比特进行异或，得到明文m，即密文中的每个比特操作为mi＝ci⊕zi。

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百度查询： 桂林电子科技大学 基于NFSR和钟控双LFSR的流密码实现方法