密碼學 - Camellia 加密演算法

Camellia 是一種對稱金鑰分組密碼，使用 128 位的塊大小和 128、192 和 256 位的金鑰大小。三菱電機和日本的 NTT 合作開發了它。

該密碼提供與高階加密標準相當的安全性和處理能力。

該密碼旨在與軟體和硬體一起使用，範圍從低成本智慧卡到高速網路系統。它是傳輸層安全 (TLS) 加密協議的一部分，用於保護透過計算機網路（如網際網路）的通訊。

Camellia 的設計

Camellia 是一種 Feistel 密碼，具有 18 輪（128 位金鑰）或 24 輪（192 位或 256 位金鑰）。每六輪應用一個邏輯轉換層，稱為“FL 函式”或其逆。Camellia 使用四個 8x8 位 S 盒進行輸入和輸出仿射變換以及邏輯運算。

該密碼還使用輸入和輸出金鑰白化。擴散層應用基於分支數為 5 的矩陣的線性變換。

演算法

• Camellia 是一種對稱分組密碼，金鑰長度為 128、192 或 256 位。明文和密文塊的長度始終為 128 位。
• 以下描述使用 Camellia 文件中變數和函式的原始名稱來描述其演算法。
• 演算法最重要的元素是 F 函式。它們用於金鑰加密和解密，以及輔助變數的建立。F 函式接受 128 位輸入，將其與子金鑰 k_i 的位組合，並生成 128 個新位。F 函式中位的修改通常稱為演算法中的一輪。F 函式呼叫被分組到塊中。每個塊有六輪。
• 六輪塊（對 F 函式的六次呼叫的塊）由對 FL 函式和 FL^-1 函式的呼叫分隔。它們操作 64 位資料塊，並使用子金鑰 kl_i 將它們組合。
• 加密和解密演算法都將重複上面概述的六輪塊。重複次數由當前金鑰的長度決定。
• 對於 128 位金鑰，重複 6 輪塊三次。對於 192 位或 256 位金鑰，重複塊四次。
• 此外，在加密和解密方法的開始和結束時，資料位將新增到子金鑰 kw_i 的位。
• 子金鑰用於加密或解密每個資料塊，是在另一種方法中生成的。每個塊的金鑰生成數十個子金鑰。它們在主演算法的各個階段使用。

金鑰排程

Camellia 密碼中使用的金鑰可以是 128、192 或 256 位。加密資料塊需要建立一些輔助變數，然後根據金鑰位建立子金鑰。每個子金鑰長 64 位。

首先，計算兩個 128 位變數（K_L 和 K_R）和四個 64 位變數（K_LL、K_LR、K_RL 和 K_RR）。以下等式描述了這些變數之間的關係 -

• K_LL 等於 K_L 的 64 個左位
• K_LR 等於 K_L 的 64 個右位
• K_RL 等於 K_R 的 64 個左位
• K_RR 等於 K_R 的 64 個右位

其餘連線應使用金鑰 K 的長度來識別。

• 對於 128 位金鑰：K_L 等於 K 且 K_R 等於 0
• 對於 192 位金鑰：K_L 等於 K 的 128 個左位，K_RL 等於 K 的 64 個右位，K_RR 等於 ~K_RL（位的否定）。
• 對於 256 位金鑰：K_L 等於 K 的 128 個左位，K_R 等於 K 的 128 個右位

接下來，使用前面的輔助變數作為基礎，可以計算兩個新的變數：K_A 和 K_B。它們都長 128 位。當且僅當金鑰為 192 位或 256 位時，K_B 不為零。在構建 K_A 和 K_B 時，應使用六個輔助常數值，稱為 ∑_i。

最後，應該根據四個最近建立的 128 位長變數 K_L、K_R、K_A 和 K_B 計算所有 64 位金鑰子金鑰 k_i、kw_i 和 kl_i。Camellia 演算法在加密和解密的每個階段都使用子金鑰。

Camellia 加密的安全性

山茶花加密演算法被認為是一種先進且安全的密碼演算法。截至目前，人們認為使用蠻力攻擊金鑰來破解它非常困難，即使使用較小的金鑰大小選項（128 位）也是如此。沒有已知的成功攻擊報告能夠顯著破解該密碼演算法。這款日本密碼演算法在處理能力和安全級別方面與 AES/Rijndael 密碼演算法相當。

山茶花是一種塊密碼，其特徵在於多元多項式的最小系統 -

• 山茶花（和 AES）的 S 盒可以使用 80 項中的 23 個二次方程系統來定義。
• 基本金鑰編排可以使用 768 個變數中的 1120 個方程來表示，其中包含 3328 個線性和二次項。
• 完整的塊密碼可以用 2816 個變數中的 5104 個方程來描述，其中包含 14592 個線性和二次項。
• 總共需要 3584 個變數中的 6224 個方程，其中包含 17920 個線性和二次項。
• 自由項的數量為 11696，這與 AES 幾乎相同。

如果攻擊可行，這些特性將使將來有可能使用代數攻擊（如擴充套件稀疏線性化）來破解山茶花（和 AES）。

優勢

以下是山茶花加密的優勢 -

• 山茶花加密非常安全，並且能夠抵禦各種各樣的密碼攻擊。它具有較大的金鑰大小和複雜迴圈設計，這使得它能夠高度抵禦蠻力攻擊。
• 山茶花具有適應性，可用於各種密碼任務，例如資料加密、數字簽名和金鑰交換協議。其多功能性使其適合各種安全需求。
• 儘管山茶花擁有出色的安全特性，但它使用的計算資源相對較少。它可以在軟體和硬體平臺上高效實現，使其適合各種應用。
• 山茶花已由國際標準化組織（ISO）和網際網路工程任務組（IETF）等國際組織標準化。
• 山茶花與現有的密碼基礎設施和協議相容，可以輕鬆整合到現有系統中，無需進行重大更改。

劣勢

以下是山茶花的一些劣勢 -

• 山茶花可能不像其他對稱金鑰加密演算法（如 AES）那樣知名或廣泛使用。這可能導致可用資源、庫和支援比更成熟的演算法少。
• 儘管山茶花是一種常見的加密技術，但在某些應用和行業中其使用可能受到限制。一些企業可能更傾向於使用 AES 等知名演算法，因為熟悉性和信任度。
• 雖然山茶花旨在安全，但沒有任何加密方法能夠完全免受漏洞的影響。隨著計算能力和密碼攻擊的改進，隨著時間的推移可能會發現山茶花中的其他問題，這可能會危及其安全性。