【文章內容簡介】 475,384,508, 53,112,170,479,151,126,169, 73,268,279,321,168,364, 363,292, 46,499,393,327,324, 24,456,267,157,460,488,426,309,229, 439,506,208,271,349,401,434,236, 16,209,359, 52, 56,120,199,277, 465,416,252,287,246, 6, 83,305,420,345,153,502, 65, 61,244,282, 173,222,418, 67,386,368,261,101,476,291,195,430, 49, 79,166,330, 280,383,373,128,382,408,155,495,367,388,274,107,459,417, 62,454, 132,225,203,316,234, 14,301, 91,503,286,424,211,347,307,140,374, 35,103,125,427, 19,214,453,146,498,314,444,230,256,329,198,285, 50,116, 78,410, 10,205,510,171,231, 45,139,467, 29, 86,505, 32, 72, 26,342,150,313,490,431,238,411,325,149,473, 40,119,174,355, 185,233,389, 71,448,273,372, 55,110,178,322, 12,469,392,369,190, 1,109,375,137,181, 88, 75,308,260,484, 98,272,370,275,412,111, 336,318, 4,504,492,259,304, 77,337,435, 21,357,303,332,483, 18, 47, 85, 25,497,474,289,100,269,296,478,270,106, 31,104,433, 84, 414,486,394, 96, 99,154,511,148,413,361,409,255,162,215,302,201, 266,351,343,144,441,365,108,298,251, 34,182,509,138,210,335,133, 311,352,328,141,396,346,123,319,450,281,429,228,443,481, 92,404, 485,422,248,297, 23,213,130,466, 22,217,283, 70,294,360,419,127, 312,377, 7,468,194, 2,117,295,463,258,224,447,247,187, 80,398, 284,353,105,390,299,471,470,184, 57,200,348, 63,204,188, 33,451, 97, 30,310,219, 94,160,129,493, 64,179,263,102,189,207,114,402, 438,477,387,122,192, 42,381, 5,145,118,180,449,293,323,136,380, 43, 66, 60,455,341,445,202,432, 8,237, 15,376,436,464, 59,461}。 KAUSMI 算法的密鑰生成 KASUMI 算法使用一個 128 比特的密鑰，而在算法中的每一輪所使用的子密 第 6 頁 共 26頁 鑰都是由這個 128 比特的密鑰衍生而來的。每輪的密鑰通過兩組 16 比特的數組Kj和 Kj, (j=1 到 8)以如下的方法生成： 128 比特的密鑰被分為每組 16比特的8個組： K=K1||K2||K3||K4||K5||K6||K7||K8 第二組密鑰 Kj， 由 Kj 以如下方法生成： Kj， =Kj Cj（ j=1 到 8， Cj 是表 21 所示的 16 進制的常量） 表 21 常量參數 每輪的密鑰由 Kj 和 Kj， 以表 22 所定義 的規(guī)則生成。 表 22 每輪子密鑰 KAUSMI算法的安全性 KASUMI 算法是一種分組密碼，目前它主要應用于第三代移動通信的安全算法 f8 和 f9 之中。 f8 算法是用來對 UE（移動用戶設備）和 RNC（無線網絡控制器）之間的無線鏈路上的用戶數據和信令數據加密，以保證其安全性。 UE 和 RNC中都有 f8 算法。 f8 是一個密鑰流發(fā)生器，它通過 KASUMI 算法生成 64 比特為一組的密鑰流，將明文數據流與密鑰流進行異或（模 2加）運算，得到密文流，解密是只要將同樣的密鑰流與密文流進行異或（模 2 加）運算，即可得到明文數據流。 f9 算法原理與此類似，通過 KASUMI 算法生成完整性消息認證碼（ MAC1），對 UE 和 RNC 之間的無線鏈路上的信令數據進行完整性保護和信令數據來源進行認證。對信令數據（ MESSAGE）使用 f9 算法算出完整性消息認證碼（ MAC1），將其附加在 MESSAGE 的后面，一起在無線鏈路上發(fā)送到接收端。接收端也將收到的MESSAGE 用 f9 算法進行跟發(fā)送端一樣的計算，算出消息認證碼（ XMAC1），將XMAC1 和收到發(fā)送端的 MAC1進行比較，驗證數據的完整性。 KASUMI 算法是基于分組密碼的設計，目前對于分組 密碼的設計而言，由于 第 7 頁 共 26頁 出現(xiàn)了差分和線性密碼攻擊，對抗這些攻擊具有可證明的安全性。 KASUMI 算法也是基于同樣的原則而設計的。它的可證明安全性是來源于算法中的被證明具有可證明安全性的較小的構成部件， Feistel 結構的 KASUMI 算法正是通過重復迭代調用較小的函數 FO和 FI 來保證其安全性。 它的安全性來源于它的四個非線性的函數： S7， S9， FI 和 FO。 S7 和 S9 這兩個 S盒具有非線性映射特性。他們映射后的每一個輸出比特依賴于輸入比特，具有很好的擴散性。除了 S9，只要一個輸入比特改變，輸出比特都會改變。只是因為 S9 中具有線性結構， S7 滿足雪崩效應，而 S9不是。在 3GPP 在測試中沒有發(fā)現(xiàn)函數 FI 和 FO的線性結構，兩個函數的每一個輸出比特依賴于每一個輸入比特，都滿足雪崩效應。 KASUMI 算法降低到 4 輪已經可以滿足密鑰 密文，明文密文的雪崩效應了。在 3GPP 組織的測評中， KASUMI 算法可以對抗目前的大部分密碼攻擊方法：差分密碼分析（差分選擇明文攻擊、差分相關密鑰攻擊、不可能差分攻擊），截斷差分密碼分析，高階差分密碼分析，線性密碼分析；而且對于使用儀器的攻擊：定時攻擊，簡單能量攻擊，差分能量攻擊也具有很好的安全性，尤其是 在 3G的特殊環(huán)境中。 3 KASUMI 算法流程 KASUMI 算法程序的實現(xiàn)語言是多種多樣的，如： C、 C++、 JAVA 等等程序設計語言。本文 KASUMI 算法程序的實現(xiàn)是利用 C語言來實現(xiàn)的，下面就簡要的介紹一下算法的流程 ： 第 8 頁 共 26頁 圖 31 KASUMI算法流程圖 備注 :圖 31中，第 7 輪相同，第 8輪相同，所以只將第一輪與第二輪給出。 通過上圖可以清晰地看出 KASUMI 算法的一個總體流程，下面就詳細介紹KASUMI 算法的子流程圖： 密鑰產生 KASUMI 算法的密鑰 K的長度為 128 位，但是 KASUMI 的每一次循環(huán)都要從 K中導出 128 位子密鑰，在每一次循環(huán)中，都會產生 8 個子密鑰，它們是： KLi,1[n]、FL 函數 F0 函數 FI 函數 密鑰生成 32 位輸入 128 位輸入 密鑰 KL 密鑰 KI 密鑰 KO 64 位輸出 64 位輸入 32 位輸入 異或 F0 函數 FL 函數 異或 FI 函數 密鑰 KI 密鑰 KO 密鑰 KL 。 。 。 。 。 。 。 。 。 第 一輪與第二輪 第 三輪與第八輪 第 9 頁 共 26頁 KLi,2[n] 、 KOi,1[n]、 KOi,2[n]、 KOi,3[n]、 KIi,1[n]、 KIi,2[n]、 KIi,3[n] （ 1 = n= 8）。產生的子密鑰分別應用于 KL 函數、 KO 函數和 KI函數。 圖 32 密鑰產生流程圖 FI 函數 FI 函數是 KASUMI 的基本隨機函數，有 16 位的輸入和 16 位的輸出。它由兩個非線性 Sbox S7 和 S9 的 4次循環(huán)結構組成。其中 S7 和 S9 是通過查表得到數據。這里需要主要的是 16位的輸入并不是均等分為 8位和 8位的左右輸入，而是 9 位和 7位的不均等輸入。 128 位輸入 K8 K7 K6 K5 K4 K3 K2 K1 C8 C7 C6 C5 C4 C3 C2 C1 查表 K‘ 8 K‘ 7 K‘ 6 K‘ 5 K‘ 4 K‘ 3 K‘ 2 K‘ 1 KLi,1 KLi,2 KOi,1 KOi,2 KOi,3 KIi,1 KIi,2 KIi,3 第 10 頁 共 26頁 圖 33 FI函數算法流程圖 FO 函數 FO 函數是 KASUMI 的循環(huán)函數的非線性部分。它是構成 feistel 結構的重要組成部分。在 feistel 結構中， FO 函數與 FL函數是相輔相成的，在不同的輪次，它們將作為另一個的參數進行 傳遞。 7輪， FL 函數作為 FO函數的參數進行傳遞； 8 輪， FO函數作為 FL函數的參數進行傳遞。 S9[9 位 ] S7[7 位 ] 9 位輸入 7 位輸入 9 位輸出 零位擴展 9 位輸出 異或 9 位輸出 截短 7 位輸出 異或 7 位輸出 S9[9 位 ] 9 位輸出 異或 KIi,j,2 異或 KIi,j,1 9 位輸出 7 位輸出 零位擴展 異或 9 位輸出 7 位輸出 S7[7 位 ] 異或 7 位輸出 7 位輸出 9 位輸出 截短 7 位輸出 左移 9 位 兩數相加 16 位輸出 16 位輸出 第 11 頁 共 26頁 圖 34 FO函數算法流程圖 FL 函數 FL 函數是 KASUMI 的循環(huán)函數的線性部分函數。它是構成 feistel 結構的重要組成部分。 圖 35 FL函數算法流程圖 按位與操 作 16 位輸入 KLi,1 異或 16 位輸入 左循環(huán)一位 按位或操 作 左循環(huán)一位 異或 左移 16 位 兩數相加 32 位輸出 FIi,1 KOi,1 16 位輸 入 異或 KIi,1 異或 16 位輸 入 FIi,1 KOi,2 異或 KIi,2 異或 FIi,1 KOi,3 異或 KIi,3 異 或 左移 16 位 兩數相加 32位輸 出 第 12 頁 共 26頁 4 系統(tǒng) 設計 本系統(tǒng)是為驗證 KASUMI 算法程序實現(xiàn)而設計的。從功能上看，該系統(tǒng)非常簡單；從界面上 看，該系統(tǒng)也與其他加密軟件類似，但是它們有區(qū)別；從代碼上看，該系統(tǒng)并沒有把加密解密算法封裝，而是作為程序的全局函數。系統(tǒng)的設計從兩個方面去實現(xiàn)它： KASUMI 算法程序實現(xiàn)與人機界面實現(xiàn)。 KASUMI 算法程序實現(xiàn) KASUMI 算法程序的實現(xiàn)語言是多種多樣的，如： C、 C++、 JAVA 等等程序設計語言，本文 KASUMI 算法程序的實現(xiàn)是利用 C語言來實現(xiàn)的。 KASUMI 算法程序實現(xiàn)的加密解決方案 圖 41 KASUMI算法程序實現(xiàn)加密解決方案 上圖為本系統(tǒng)實現(xiàn)加密的解決方案，此方案一共由五 個模塊組成，其中包括兩個 I/O 接口、一個密鑰產生模塊、一個加密模塊和主控模塊。 I/O 接口 在本方案中，包含了兩個 I/O 接口：一個 I/O 接口用作明文和密鑰的輸入一個 I/O 接口用作密文的輸出。 密鑰產生模塊 密鑰產生模塊的主要作用是產生每一輪加密所需要的子密鑰。 加密模塊 加密模塊的主要作用是對數據進行加密。 主控程序 主控程序在此方案中起到了一個中轉站的作用，它與每一個模塊都有密切的關系，就輸入接口而言，主控程序將從接口接收數據（明文和密鑰），然后對數