【文章內(nèi)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(gè) 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(gè) 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(shù)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(gè)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(jìn)制的常量） 表 21 常量參數(shù) 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(yīng)用于第三代移動(dòng)通信的安全算法 f8 和 f9 之中。 f8 算法是用來對(duì) UE（移動(dòng)用戶設(shè)備）和 RNC（無線網(wǎng)絡(luò)控制器）之間的無線鏈路上的用戶數(shù)據(jù)和信令數(shù)據(jù)加密，以保證其安全性。 UE 和 RNC中都有 f8 算法。 f8 是一個(gè)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(shù)據(jù)流與密鑰流進(jìn)行異或（模 2加）運(yùn)算，得到密文流，解密是只要將同樣的密鑰流與密文流進(jìn)行異或（模 2 加）運(yùn)算，即可得到明文數(shù)據(jù)流。 f9 算法原理與此類似，通過 KASUMI 算法生成完整性消息認(rèn)證碼（ MAC1），對(duì) UE 和 RNC 之間的無線鏈路上的信令數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性保護(hù)和信令數(shù)據(jù)來源進(jìn)行認(rèn)證。對(duì)信令數(shù)據(jù)（ MESSAGE）使用 f9 算法算出完整性消息認(rèn)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(jìn)行跟發(fā)送端一樣的計(jì)算，算出消息認(rèn)證碼（ XMAC1），將XMAC1 和收到發(fā)送端的 MAC1進(jìn)行比較，驗(yàn)證數(shù)據(jù)的完整性。 KASUMI 算法是基于分組密碼的設(shè)計(jì)，目前對(duì)于分組 密碼的設(shè)計(jì)而言，由于 第 7 頁 共 26頁 出現(xiàn)了差分和線性密碼攻擊，對(duì)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(shè)計(jì)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(gòu)成部件， Feistel 結(jié)構(gòu)的 KASUMI 算法正是通過重復(fù)迭代調(diào)用較小的函數(shù) FO和 FI 來保證其安全性。 它的安全性來源于它的四個(gè)非線性的函數(shù)： S7， S9， FI 和 FO。 S7 和 S9 這兩個(gè) S盒具有非線性映射特性。他們映射后的每一個(gè)輸出比特依賴于輸入比特，具有很好的擴(kuò)散性。除了 S9，只要一個(gè)輸入比特改變，輸出比特都會(huì)改變。只是因?yàn)?S9 中具有線性結(jié)構(gòu)， S7 滿足雪崩效應(yīng)，而 S9不是。在 3GPP 在測試中沒有發(fā)現(xiàn)函數(shù) FI 和 FO的線性結(jié)構(gòu)，兩個(gè)函數(shù)的每一個(gè)輸出比特依賴于每一個(gè)輸入比特，都滿足雪崩效應(yīng)。 KASUMI 算法降低到 4 輪已經(jīng)可以滿足密鑰 密文，明文密文的雪崩效應(yīng)了。在 3GPP 組織的測評(píng)中， KASUMI 算法可以對(duì)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(guān)密鑰攻擊、不可能差分攻擊），截?cái)嗖罘置艽a分析，高階差分密碼分析，線性密碼分析；而且對(duì)于使用儀器的攻擊：定時(shí)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(shí)現(xiàn)語言是多種多樣的，如： C、 C++、 JAVA 等等程序設(shè)計(jì)語言。本文 KASUMI 算法程序的實(shí)現(xiàn)是利用 C語言來實(shí)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(gè)總體流程，下面就詳細(xì)介紹KASUMI 算法的子流程圖： 密鑰產(chǎn)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(dǎo)出 128 位子密鑰，在每一次循環(huán)中，都會(huì)產(chǎn)生 8 個(gè)子密鑰，它們是： KLi,1[n]、FL 函數(shù) F0 函數(shù) FI 函數(shù) 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(shù) FL 函數(shù) 異或 FI 函數(shù) 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(chǎn)生的子密鑰分別應(yīng)用于 KL 函數(shù)、 KO 函數(shù)和 KI函數(shù)。 圖 32 密鑰產(chǎn)生流程圖 FI 函數(shù) FI 函數(shù)是 KASUMI 的基本隨機(jī)函數(shù)，有 16 位的輸入和 16 位的輸出。它由兩個(gè)非線性 Sbox S7 和 S9 的 4次循環(huán)結(jié)構(gòu)組成。其中 S7 和 S9 是通過查表得到數(shù)據(jù)。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(shù)算法流程圖 FO 函數(shù) FO 函數(shù)是 KASUMI 的循環(huán)函數(shù)的非線性部分。它是構(gòu)成 feistel 結(jié)構(gòu)的重要組成部分。在 feistel 結(jié)構(gòu)中， FO 函數(shù)與 FL函數(shù)是相輔相成的，在不同的輪次，它們將作為另一個(gè)的參數(shù)進(jìn)行 傳遞。 7輪， FL 函數(shù)作為 FO函數(shù)的參數(shù)進(jìn)行傳遞； 8 輪， FO函數(shù)作為 FL函數(shù)的參數(shù)進(jìn)行傳遞。 S9[9 位 ] S7[7 位 ] 9 位輸入 7 位輸入 9 位輸出 零位擴(kuò)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(kuò)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(shù)相加 16 位輸出 16 位輸出 第 11 頁 共 26頁 圖 34 FO函數(shù)算法流程圖 FL 函數(shù) FL 函數(shù)是 KASUMI 的循環(huán)函數(shù)的線性部分函數(shù)。它是構(gòu)成 feistel 結(jié)構(gòu)的重要組成部分。 圖 35 FL函數(shù)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(shù)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(shù)相加 32位輸 出 第 12 頁 共 26頁 4 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)是為驗(yàn)證 KASUMI 算法程序?qū)崿F(xiàn)而設(shè)計(jì)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(shù)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從兩個(gè)方面去實(shí)現(xiàn)它： KASUMI 算法程序?qū)崿F(xiàn)與人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)。 KASUMI 算法程序?qū)崿F(xiàn) KASUMI 算法程序的實(shí)現(xiàn)語言是多種多樣的，如： C、 C++、 JAVA 等等程序設(shè)計(jì)語言，本文 KASUMI 算法程序的實(shí)現(xiàn)是利用 C語言來實(shí)現(xiàn)的。 KASUMI 算法程序?qū)崿F(xiàn)的加密解決方案 圖 41 KASUMI算法程序?qū)崿F(xiàn)加密解決方案 上圖為本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加密的解決方案，此方案一共由五 個(gè)模塊組成，其中包括兩個(gè) I/O 接口、一個(gè)密鑰產(chǎn)生模塊、一個(gè)加密模塊和主控模塊。 I/O 接口 在本方案中，包含了兩個(gè) I/O 接口：一個(gè) I/O 接口用作明文和密鑰的輸入一個(gè) I/O 接口用作密文的輸出。 密鑰產(chǎn)生模塊 密鑰產(chǎn)生模塊的主要作用是產(chǎn)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。 主控程序 主控程序在此方案中起到了一個(gè)中轉(zhuǎn)站的作用，它與每一個(gè)模塊都有密切的關(guān)系，就輸入接口而言，主控程序?qū)慕涌诮邮諗?shù)據(jù)（明文和密鑰），然后對(duì)數(shù)