TW201919361A

TW201919361A - 以雜文加強保護之區塊加密及其解密之方法

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Publication number: TW201919361A
Application number: TW106138824A
Authority: TW
Inventors: 張英輝
Original assignee: 張英輝
Priority date: 2017-11-09
Filing date: 2017-11-09
Publication date: 2019-05-16
Also published as: US20190140820A1; CN109768855A

Abstract

一種以雜文加強保護之區塊加密方法，包括：(a)提供一明文資料；(b)基於明文資料，輸入一相對應的雜文；(c)結合明文資料與相對應的雜文以形成混文，其中該混文之長度等於明文之長度加上雜文之長度；以及(d)利用一傳統的區塊加密方法，將混文進行加密，以產生密文。

Description

以雜文加強保護之區塊加密及其解密之方法

本發明係關於一種區塊加密方法，特別係一種以雜文加強保護之區塊加密方法，應用於電子裝置中，用以加密和解密數位資料。

區塊加密(block cipher)是現今密碼學中，非常重要的一部分；本說明書將以'傳統區塊加密'(conventional block cipher)稱之，用以區別本發明。

傳統區塊加密是用以加密和解密一固定長度，或稱之為傳統區塊加密長度，的明文和密文；加密和解密使用相同的密鑰；並實現成為電子裝置的部份或全部功能，具體則是以硬體、軟體、或軟硬體混合的的方式實現。整個過程中所需的明文、密文以及任何暫存資料，都是以數位方式存於電子裝置中，其長度單位是位元(bit)。

傳統區塊加密中的加解密動作是由一對稱算法引擎(symmetric algorithm engine)完成，現今已有許多對稱算法被廣泛使用中，例如：資料加密標準(Data Encryption Standard：DES)算法、進階加密標準(Advance Encryption Standard：AES)算法...等等。以AES算法實現的傳統區塊加密為例，其密鑰長度有128位元、192位元及256位元等三種選項，其區塊加密長度是128位元，每次可將128位元的明文加密成為128位元的密文；而以AES算法實現的傳統區塊解密，可將由AES傳統區塊加密之而成的128位元的密文，解密成為128位元的明文，其中加密與解密使用相同的密鑰。

區塊加密的操作模式(block cipher mode of operation)則是描述如何重複使用區塊加密，對於大於固定區塊長度的明文和密文，進行加密和解密，例如電子密碼本(Electronic Codebook：ECB)、密文反饋(Cipher Feedback：CFB)、輸出反饋(Output Feedback：OFB)、計數器模式(Counter Mode：CTR)等等模式。如果要被加密的明文長度不足區塊長度的整數倍，會先依填充規則(padding rule)，填充至整數倍。

在所有的區塊加密模式之中，只有在ECB模式中，每個加密區塊是互相獨立的可以被解出；其他非ECB模式的加密區塊都是前後相關，一旦某一區塊有誤，該區塊後的資料都無法被解出，例如，串流媒體資料就不適合非ECB模式。

傳統區塊加密方法使用ECB模式的缺點是同樣的明文塊會被加密成相同的密文塊；因此，此模式無法很好地隱藏資料。在某些場合，這種方法不能提供嚴格的資料保密性，通常並不推薦用於密碼協定之中。

傳統區塊加密方法使用非ECB模式可以提供較好的加密效果，但是除了密鑰還需要初始向量。在一些特定的應用場合，例如非接觸式IC卡認證，無法以加密的方式傳遞初始向量，故無法使用較安全的非ECB模式，只能使用ECB模式。

鑒於上述習知技術的缺點，本發明提供一種嶄新的雜文加強保護之區塊加密方法，可用於ECB模式，克服上述傳統區塊加密方法使用ECB模式的缺點，而用於非ECB模式，亦可以增強加密強度。

本發明係提出以雜文加強保護之區塊加密方法，可以應用於現有的區塊加密模式中，其基本原理是強制在明文中混入雜文再行加密，所得密文的亂度自然升高，而加密強度自然增強。

一種以雜文加強保護之區塊加密方法，該方法係於一電子裝置之中執行，應用於加密資料時，該加密方法包括：(a)提供一明文資料，明文長度必須小於傳統區塊加密長度；(b)基於該明文資料，輸入一相對應的雜文，該雜文之區塊長度加上明文之區塊長度必須等於傳統區塊加密長度；(c)結合明文與雜文，以形成混文，其中混文之區塊長度等於傳統區塊加密長度；以及(d)利用一傳統區塊加密方法進行混文的加密，以產生密文。

根據本發明之另一觀點，其中該雜文可由任何種類的非常數產生器所產生，隨機數產生器即為其中一種。在以隨機數產生器以產生雜文的例子中，因隨機數的亂度是高於其它非常數，同時雜文的長度愈長，明文佔混文的比例越低，混文的整體亂度自然愈高，所得密文的加密強度提昇愈多。

其中結合明文與相對應的雜文係透過一組合器來執行。

應用於解密資料時，該解密方法包括：(a)將該密文依對應的傳統區塊解密方法以解密該密文，以還原成混文；(b)將混文以分解器，分解成為明文和雜文。

此些優點及其他優點從以下較佳實施例之敘述及申請專利範圍將使讀者得以清楚了解本發明。

10‧‧‧區塊加密方法

20‧‧‧區塊解密方法

30‧‧‧區塊加密方法

40‧‧‧區塊解密方法

100‧‧‧傳統區塊加密

102‧‧‧明文

104‧‧‧雜文

106‧‧‧組合器

108‧‧‧混文

110‧‧‧密鑰

114‧‧‧密文

200‧‧‧傳統區塊解密

206‧‧‧分解器

300‧‧‧AES加密區塊

302‧‧‧長度64位元之明文

304‧‧‧長度64位元之雜文

306‧‧‧輸出128位元之組合器

308‧‧‧長度128位元之混文

310‧‧‧長度128位元AES密鑰

314‧‧‧長度128位元之密文

400‧‧‧AES區塊解密

406‧‧‧輸入128位元之分解器

如下所述之對本發明的詳細描述與實施例之示意圖，應使本發明更被充分地理解；然而，應可理解此僅限於作為理解本發明應用之參考，而非限制本發明於一特定實施例之中。

第一圖顯示根據本發明之一實施例之雜文加強保護之區塊加密方法之示意圖；第二圖顯示根據本發明之一實施例之雜文加強保護之區塊解密方法之示意圖；第三圖顯示根據本發明之另一實施例之雜文加強保護之區塊加密方法之示意圖；第四圖顯示根據本發明之另一實施例之雜文加強保護之區塊解密方法之示意圖。

此處本發明將針對發明具體實施例及其觀點加以詳細描述，此類描述為解釋本發明之結構或步驟流程，其係供以說明之用而非用以限制本發明之申請專利範圍。因此，除說明書中之具體實施例與較佳實施例外，本發明亦可廣泛施行於其他不同的實施例中。以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技術之人士可藉由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之功效性與其優點。且本發明亦可藉由其他具體實施例加以運用及實施，本說明書所闡述之各項細節亦可基於不同需求而應用，且在不悖離本發明之精神下進行各種不同的修飾或變更。

本發明之雜文加強保護之區塊加密方法，如第一圖所示，包括：M位元明文102、N位元雜文104由組合器106組合成為(M+N)位元混文108，其中雜文104是在外部由亂數產生器所產生；並且將混文108以(M+N)位元傳統區塊加密100，以產生(M+N)位元密文114。在混文108之區塊加密步驟之中，加入一密鑰(encryption key)110以進行區塊加密，密鑰長度係依據傳統區塊加密100所使用的算法選定。

在第一圖中，明文102、雜文104、混文108之間的邏輯關係以IEEE standard Verilog描述成底下mix_text[M+N-1：0]=(plain_text[0]<<A₀)|(plain_text[1]<<A₁)|…(plain_text[M-1]<<A_M-1)|(nonce_text[0]<<B₀)|(nonce_text[1]<<B₁)|…(nonce_text[N-1]<<B_N-1)其中參數A₀~A_M-1,B₀~B_N-1是預先選定在範圍0到(M+N-1)之間的整數，並滿足下列條件：(1<<A₀)|(1<<A₁)|…(1<<A_M-1)|(1<<B₀)|(1<<B₁)|…(1<<B_N-1)=={(M+N){1'b1}}

參數A₀~A_M-1的選法是在0到(M+N-1)之間的整數選取M個不重複的整數任意排列，然後依序指定給A₀~A_M-1，選剩的N個整數任意排列，依序指定給參數B₀~B_N-1。

舉一實施例而言，在電子裝置中，組合器106可以硬體、軟體、或軟硬體混和的方式實現。

第一圖中，除了組合器106之外所有部份，以先前技術都可實現。因此，本發明之雜文加強保護之區塊加密方法，可以利用現有的硬體、軟體或是軟硬混合的技術完全實現。

本發明之雜文加強保護之區塊解密方法，如第二圖所示，包括：以(M+N)位元傳統區塊解密200方法以解密(M+N)位元密文，以得到(M+N)位元混文108，再利用一分解器206將(M+N)位元混文108分解成為M位元明文102及N位元雜文104。

上述區塊加密100方法與區塊解密200方法係分別用以加密一固定長度的混文以及解密一固定長度的密文，且加密和解密使用相同的密鑰。

在第二圖中，明文102、雜文104與混文108之間的邏輯關係，以IEEE standard Verilog可描述成底下plain_text[M-1：0]={mix_text[A_M-1],mix_text[A_M-2],...,mix_text[A₀]}

nonce_text[N-1：0]={mix_text[B_N-1],mix_text[B_N-2],...,mix_text[B₀]}其中參數A₀~A_M-1,B₀~B_N-1必須等同於本發明之雜文加強保護之區塊加密方法中選定的A₀~A_M-1,B₀~B_N-1。

類似地，在電子裝置中，分解器206可以硬體、軟體或軟硬體混合的方式實現。

第二圖中，除了分解器206之外所有部份，以先前技術都可實現。

所以，本發明之雜文加強保護之區塊解密方法，可以現有的硬體、軟體或是軟硬體混合的技術完全實現。

選用AES算法，及密鑰長度128位元的選項，在M=64、N=64的例子中，本發明之雜文加強保護之區塊加密方法可以實現，如第三圖所示，其中包括：64位元明文302、64位元雜文304，以組合器306組合64位元明文302與64位元雜文304以形成128位元混文308，經AES區塊加密300方法以加密該混文，可以得128位元密文314。在混文308之區塊加密步驟之中，加入一長度128位元的密鑰310以進行區塊加密。

依照前述，選用整數64~127依序指定給A₀~A₃₁；而選用整數0~63依序指定給B₀~B₃₁。

依照前述，明文302、雜文304與混文308之間的邏輯關係，以IEEE standard Verilog可描述為底下mix_text[127：0]=(plain_text[0]<<64)|(plain_text[1]<<65)|…(plain_text[63])|…(nonce_text[0]<<0)|(nonce_text[1]<<1)|…(nonce_text[63]<<63)進一步簡化可得mix_text[127：0]={plain_text[63：0],nonce_text[63：0]}

類似地，在電子裝置中，組合器306可以硬體、軟體、或軟硬體混合的方式實現。

第三圖中，除了組合器306之外所有部份，以先前技術都可實現。因此，選用AES算法，M=64、N=64，本發明之雜文加強之區塊加密方法，可以現有的硬體、軟體、或軟硬體混合技術完全實現。

選用AES算法，M=64、N=64，本發明之雜文加強保護之區塊解密方法，可實現如第四圖所示，包括：128位元密文314，以AES區塊解密400方法以解密該128位元密文314成為128位元混文308，再利用分解器406分解該128位元混文308，以形成64位元明文302和64位元雜文304。

類似地，第四圖中，明文302、雜文304及混文308之間的邏輯關係，以IEEE standard Verilog可描述成底下plain_text[63：0]={mix_text[127],mix_text[126],…,mix_text[64]}

nonce_text[63：0]={mix_text[63],mix_text[62],…,mix_text[0]}再進一步簡化成plain_text[63：0]=mix_text[127：64]

nonce_text[63：0]=mix_text[63：0]

類似地，在電子裝置中，分解器406可以硬體、軟體、或軟硬體混合的方式實現。

第四圖中，除了分解器406之外所有部份，先前技術都可實現。

所以，選用AES算法，及密鑰長度128位元的選項，M=64、N=64，本發明之雜文加強保護之區塊解密方法，可以現有的硬體、軟體或軟硬體混合的技術完全實現。

本發明之優點包括：

1.提出以雜文加強保護之區塊加密方法，可以應用於現有的區塊加密模式中，而其加密程度因強制加入由非常數產生器所生成的雜文而有所增強。

2.產生雜文所需的非常數產生器，可採用亂數產生器，其為現有之成熟技術。

3.現有的ECB之區塊加密模式中使用本發明，因為強制加入雜文，一方面改進了ECB模式加密強度較差的缺點，相同的明文在不同次的加密後，會產生不同的密文，同時保留原有ECB模式在解密時，不同區塊可獨立解密的優點。

4.串流媒體資料採用本發明於ECB模式，可以顯著地增強加密強度。

5.非接觸式IC卡採用本發明於ECB模式，亦可以顯著地增強加密強度。

上述敘述係為本發明之較佳實施例。此領域之技藝者應得以領會其係用以說明本發明而非用以限定本發明所主張之專利權利範圍。其專利保護範圍當視後附之申請專利範圍及其等同領域而定。凡熟悉此領域之技藝者，在不脫離本專利精神或範圍內，所作之更動或潤飾，均屬於本發明所揭示精神下所完成之等效改變或設計，且應包含在下述之申請專利範圍內。

Claims

一種以雜文加強保護之區塊加密方法，該方法係於一電子裝置之中執行，該方法包括：(a)提供一M位元明文資料，具有一第一區塊長度；(b)基於該M位元明文資料，輸入一相對應的N位元雜文，其中該N位元雜文具有一第二區塊長度；(c)利用一組合器以結合該M位元明文資料與該相對應的N位元雜文以形成(M+N)位元的混文，其中該(M+N)位元混文之區塊長度等於該第一區塊長度加上該第二區塊長度；以及(d)利用一區塊加密方法，以將該(M+N)位元混文加密產生(M+N)位元密文。
如請求項1所述之以雜文加強保護之區塊加密方法，其中該雜文係透過一非常數產生器所產生。
如請求項2所述之以雜文加強保護之區塊加密方法，其中該非常數產生器包含隨機數產生器。
如請求項1所述之以亂數雜文加強保護之區塊加密方法，其中該區塊加密方法之中更包含加入一密鑰。
如請求項4所述之以亂數雜文加強保護之區塊加密方法，其中該密鑰長度係依據加密固定長度之傳統區塊加密方法所使用的算法選定。
如請求項1所述之以亂數雜文加強保護之區塊加密方法，其中該區塊加密方法包含加密固定長度之傳統區塊加密方法。
一種由請求項1加密所產生的該密文之區塊解密方法，該區塊解密方法係於一電子裝置中執行，該區塊解密方法包括：(a)利用對應於請求項1之該區塊加密方法之一區塊解密方法，以解密該密文成為該混文；以及(b)利用對應於請求項1之該結合方法之一分解器，以分解該混文得到該明文。
如請求項7所述之由請求項1加密所產生的該密文之區塊解密方法，其中該區塊加密方法與該區塊解密方法之中所加入之密鑰相同。
如請求項8所述之由請求項1加密所產生的該密文之區塊解密方法，其中該密鑰長度係依據加密固定長度之傳統區塊加密方法所使用的算法選定。