ｌ｜０ ０ ０ ０｜０ ０ｌ 雎 ＣＡＮ总线通信中的改进ＡＥＳ加密算法设计 陈基昕。王忠。赵锦字 （火箭军工程大学基础部，西安７１００２５） 摘要：ＡＥＳ加密算法是一种基于Ｓｑｕａｒｅ结构的ＳＰＮ（Ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎ Ｐｅｒｍｕｔａｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ）迭代分组密码，具有较高的安 全性。本文详细分析了影响ＡＥＳ加密算法Ｓ—Ｂｏｘ安全性的因素，通过改变构造Ｓ—Ｂｏｘ乘法求逆元和仿射变换运算的 复合关系，寻找新的仿射变换对来提高Ｓ—Ｂｏｘ的各项性能指标，从而增强ＡＥＳ加密算法的安全性，并给出了新的Ｓ— Ｂｏｘ和逆Ｓ—Ｂｏｘ的替换表，最后通过ｃＡＮ总线的通信实验验证了改进后ＡＥＳ加密算法的可行性。 关键词：ＣＡＮ总线；ＡＥＳ加密算法；Ｓ—Ｂｏｘ 中图分类号：ＴＰ３６８．１ 文献标识码：Ａ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ＡＥＳ Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｎ ＣＡＮ Ｂｕｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｃｈｅｒｔ Ｊｉｘｉｎ，Ｗａｎｇ Ｚｈｏｎｇ，Ｚｈａｏ Ｊｉｎｙｕ （Ｂａｓｉｃ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｒｏｃｋｅｔ Ａｒｍｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００２５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ＡＥＳ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ａ ＳＰＮ（Ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎ Ｐｅｒｍｕｔａｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ）ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｂｌｏｃｋ ｃｉｐｈｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｑｕａｒｅ ｓｔｒｕｃ～ ｔｕｒｅ ａｎｄ ｉｔ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｓｅｃｕｒｉｔｙ．Ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｈａｔ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ＡＥＳ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ Ｓ－Ｂｏｘ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂｙ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ Ｓ－Ｂｏｘ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎｖｅｒｓｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ａｆｆｉｎｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｔＯ ｆｉｎｄ ｎｅｗ ａｆｆｉｎｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐａｉｒｓ，ｅａｃｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｔｈｅ Ｓ－Ｂｏｘ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｕｓ ｔｈｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ＡＥＳ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｅｎ— ｈａｎｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｔａｂｌｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ Ｓ－Ｂｏｘ ａｎｄ ｉｎｖｅｒｓｅ Ｓ－Ｂｏｘ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ＡＥＳ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ＣＡＮ ｂｕｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＣＡＮ ｂｕｓ；ＡＥＳ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；Ｓ－Ｂｏｘ 引 言 某控制系统各节点间通过ＣＡＮ总线互连通信，而在 １ ＡＥＳ加密算法原理 １．１算法基本结构 ＡＥＳ加密算法为分组密码，分组长度为ｌ２８位即１６ 个字节，密匙长度有１２８、１９２或２５６位，根据密匙长度的 不同，加密的轮数也不同，本文采用长度为１２８位的密 ＣＡＮ的协议规范中只对物理层和数据链路层做了明确的 规定，其应用层协议用户可自行根据具体的应用系统自主 定义ｎ］。为了保证总线在通信过程中的安全性，在应用层 协议里进行了数据加密，并采用了改进的ＡＥＳ加密算法。 ＡＥＳ加密算法是１９９８年由Ｒｉｊｎｄａｅｌ提出，其安全性目前 匙，加密轮数为１０轮。ＡＥＳ加密算法不仅编码紧凑、设 计简单而且可抵抗多种类型的攻击，其基本结构包括４ 个部分。 （１）字节替换（ＳｕｂＢｙｔｅｓ） 仍在深入研究与讨论中，但普遍认为其具有良好的安全 性。本文对ＡＥＳ加密算法进行了改进，且只改进了其非 线性部分Ｓ—Ｂｏｘ的构造，其余线性变换的结构并未改变。 Ｓ—Ｂｏｘ是一个预先计算好的字节替换表，因此算法的执 字节替换也就是通过ｓ—Ｂｏｘ对字节元素进行非线性 的变换，ｓ—Ｂｏｘ由有限域ＧＦ（２ ）上的乘法求逆运算和仿 射变换运算而来，通过查表的方式即可直接得到变换前后 的字节元素，替换后字节元素至少有两位发生变换，能充 行时间不会有所改变，不存在参考文献［２］提出的由于改 进算法而导致影响通信效率的问题。本文通过对比改进 前后的ＡＥＳ加密算法的仿射变换对周期、代数表达式项 数、严格雪崩距离等各项指标来说明算法的安全性，并通 过实验验证了可行性。 分打乱原来的字节元素，本文所介绍的ＡＥＳ加密算法就 是对ｓ—Ｂｏｘ进行改进而来。具体替换规则为假设一字节 为ｘｙ，则Ｓ—Ｂｏｘ中第ｘ行第Ｙ列所对应的元素就是替换 后的元素。 敬请登录网站在线投稿 ２０１８－＃－ｇ ７期 《羊 机＿喜嵌入式条＇毛应国》 ２５ ＿ ｌ ｌ２）行位移（Ｓｈｉ￣ｔＦＩｏｗｓ） 明文 ＿ 明文 行位移是ＡＥＳ加密算法中的一个简单线性运算，即 在４×４的状态矩阵中，把第ｉ行循环左移ｉ个字节（ｉ一０， １，２，３）。 （３）列混合（ＭｉｘＣｏｌｕｍｎｓ） 逆字节替换 列々昆合是将状态矩阵中的每一列看成一个多项式，让 其与一个固定的多项式ａ（ｘ）相乘，再做模多项式ｍ（ｘ）＝ Ｘ ４－１的运算，其中ａ（ｘ）一’０３’ｘ。４－ ０１’ｘ ４－’０１ ｘ＋’Ｏ２ 。 （４）轮密匙加（ＡｄｄＲｏｕｎｄＫｅｙ） ．．．逆行位移 逆列混合 ．．．．．．．．．＋ Ｉ．．．．．．．．一． 轮密匙加变换就是让状态矩阵与经过密匙扩展得到 轮密匙加 ——■ｒ一．．．．．．．．．．．．．的子密匙做异或运算，因此轮密匙加变换的逆变换就是其 本身，其中子密匙是原始密匙通过密匙扩展算法得到的。 １．．．．．．．一逆字节替换 ——ｒ一．．．．．．．．．．．．．１．２算法的流程 ＡＥＳ加密算法先将１２８位的明文进行分组，得到一 Ｉ．．．．．．．一逆行位移 个４×４的明文状态矩阵作为算法的输入，然后选取密匙 矩阵先对明文状态矩阵做一次轮密匙加变换，再经过ｌＯ 轮的轮函数加密，轮函数操作依次为字节替换、行位移、列 混合和轮密匙加，其中由于最后一轮的列混合不仅不会提 高安全性，反而会拉低算法运算速度，故该轮丢弃列混合 变换。解密算法仍为１Ｏ轮，由于算法的４个轮操作均为 可逆变换，因此解密过程就是用与加密过程同样的密匙对 每一轮的加密操作进行逆运算。算法的流程图如图１所 示，其代码实现如下： ｖｏｉｄ ａｅｓ（ｃｈａｒ Ｐ，ｉｎｔ ｐｌｅｎ，ｃｈａｒ＊ｋｅｙ）｛ ｉｎｔ ｋｅｙｌｅｎ—ｓｔｒｌｅｎ（ｋｅｙ）： ｉｎｔ ｐＡｒｒａｙ［４￣ｌ－４］； ｉｎｔ ｋ，ｉ； 密 文 密文 图１ ＡＥＳ加密算法流程图 ｅｘｔｅｎｄＫｅｙ（ｋｅｙ）；／／扩展密钥 ｆｏｒ（ｋ一０；ｋ＜ｐｌｅｎ；ｋ＋ １６）｛ ２ Ｓ—Ｂｏｘ构造原理及性质 Ｓ—Ｂｏｘ作为ＡＥＳ加密算法中唯一的非线性部分，是 一ｃｏｎｖｅｒｔＴｏＩｎｔＡｒｒａｙ（ｐ＋ｋ，ｐＡｒｒａｙ）； ａｄｄＲｏｕｎｄＫｅｙ（ｐＡｒｒａｙ，Ｏ）； ｆｏｒ（ｉ一１；ｉ＜１０；ｉ＋＋）｛ ／／第一次轮密钥加 个作用于状态字节的非线性变换，对于１２８位的明文加 【＿拣 密，一次加密过程就要用到Ｓ—Ｂｏｘ １６Ｏ次 ］，因此其构造 ／／字节代换 ／／行移位 ／／列混合 ／／轮密匙加 ｓｕｂＢｙｔｅｓ（ｐＡｒｒａｙ）； ｓｈｉｆｔＲｏｗｓ（ｐＡｒｒａｙ）； ｍｉｘＣｏｌｕｍｎｓ（ｐＡｒｒａｙ）； ａｄｄＲｏｕｎｄＫｅｙ（ｐＡｒｒａｙ，ｉ）； ｝ 对算法的安全性起关键性作用。Ｓ—Ｂｏｘ的构造由两个可 逆的复合变换而成，即先在有限域ＧＦ（２ ）上求乘法逆元变 换，其中ＯＯ没有乘法逆元，规定其变换后依然是ｏ０，再在 ＧＦ（２）上做仿射变换运算。参考文献［－４－）给出了Ｓ—Ｂｏｘ的 代数表达式只有９项：Ｓ（ｘ）：’０５’）（２ 十’Ｏ９ ）（２ 。＋ ｆ９’】【２ ＋ ／／字节代换 ＇２５’）（２ ４－＇ｆ４ 。 ４－＇０１ 】【２。。＋＇ｂ５’Ｘ 。 ４－＇８ｆ’Ｘ ４－＇６３’。 ｓｕｂＢｙｔｅｓ（ｐＡｒｒａｙ）； ｓｈｉｆｔＲｏｗｓ（ｐＡｒｒａｙ）； ａｄｄＲｏｕｎｄＫｅｙ（ｐＡｒｒａｙ，ｉ０）； ／／行移位 ／／轮密匙加 （１）定义１ 记仿射变换Ｌ…（ａ（ｘ））：ａ（ｘ）卜ｂ（ｘ）为Ｌ…（ａ），定义 Ｌ （ａ（ｘ））：ａ（ｘ）卜 ｂ（ｘ）一Ｌ１（ｘ）ａ（ｘ）４－ｖ（ｘ）ｍｏｄ（Ｘ ４－１）， ７ ７ ７ ｃｏｎｖｅｒｔＡｒｒａｙＴｏＳｔｒ（ｐＡｒｒａｙ。Ｐ＋ｋ）； ） ｝ 其中ｕ（ｘ）一∑Ｕｉｘ 、ｖ（ｘ）：∑ｖ。ｘ 、ａ（ｘ）一∑ａｉｘ 。则对 Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ＆Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ２０ １８＃－ｇ ７期 ｗｗｗ．ｍｅｓｎｅｔｃｏｍ．２ ６ ．ｃｎ ＿ｌ｜ ＿ｉ ＿ｌ 曲 也 西 山 ＿ 仙 氓 伽 ＿ 分均匀度有关，布尔置换的差分均匀度越接近１，则抗差 分分析能力越强，Ｓ—Ｂｏｘ的差分均匀度为４，具有较好的 抗差分分析能力。 （６）定义６ 非线性度 ：设Ｆ（ｘ）一（ｆ】（Ｘ），…，ｆ （ｘ））是ＧＦ（２） 于ＡＥＳ加密算法的仿射变换Ｌ 。有：ｕ（ｘ）一Ｘ ＋Ｘ。＋Ｘ２ 仉 协 也 ＋ｘ＋１、ｖ（ｘ）：Ｘ６＋Ｘ ＋ｘ＋１。记 仙 ．５ 山 西 仙 到ＧＦ（２）“的多输出布尔置换，则称 Ｎ（Ｆ）一 ｒａｉｎ ｄ｛ｕｇＦ（ｘ），ｌ（ｘ）｝为Ｆ（ｘ）的非线性度， Ｏ≠ｕＥＧＦ（２“） ｌ（ｘ）∈Ｌ（Ｘ） Ｆ一 曲 协 仙 ｎ其中ｄ｛ｕｇＦ（ｘ），ｌ（ｘ））表示ｕｇＦ（ｘ）与ｌ（ｘ）之间的汉明距 离，Ｌ （ｘ）为ＧＦ（２）上的所有线性函数的集合。非线性度 则可把仿射变换表示为Ｌ…（ａ）一Ｆａ＋ｖ。记 ． （ａ） 加 孙 如 踟 一 ． 越高，算法抵御线性分析的能力就越强，但非线性度达到 最大值时，其它性能将会有所下降，ｓ—Ｂｏｘ的非线性度 为１１２。 （７）定义７ （Ｌ （ａ）），有Ｌ ， （ａ）一Ｆ ａ＋Ｆ ｖ＋Ｆ 。ｖ＋…＋ Ｆｖ＋ｖ。令Ｈｋ一１一Ｆｋ－ ＋Ｆ 。＋…＋Ｆ＋Ｅ，则Ｌ ． （ａ）一 Ｆ ａ＋Ｈ ｖ，其中Ｅ为８×８的矩阵。 Ⅵ （２）定义２ 抗代数攻击阻力 ］：在有限域ＧＦ（２ ）上有ｔ项的ｒ个 方程，定义ｒ为Ｓ～Ｂｏｘ的抗代数攻击阻力，有Ｆ＝（（ｔ— ｒ）／ｎ） ］，对于ＡＥＳ加密算法中的Ｓ—Ｂｏｘ，参考文献 若一个正整数ｎ满足Ｌ：． 一Ｅ，则称Ｌ…满足周期性。 若ｎ为周期里的最小正整数，则称Ｌ…的周期为ｎ。由于 ＡＥＳ加密算法中ｓ—Ｂｏｘ的仿射变换为Ｌ…一Ｌ 。，其满 足Ｌ： ３（ａ）一ａ且Ｌ ＦＩ６３（ａ）≠ａ，ｉ：１，２，３，所以Ｓ—Ｂｏｘ的 Ｅ６］给出ｔ一８１，ｒ一２３，ｎ一８，带入上式可得ｒ ２ 一。该指 标主要与求乘法逆元运算有关，因此对于改进后的ｓ— Ｂｏｘ抗代数攻击阻力仍为ｒ一２。 。 （８）定义８ 仿射变换周期为４。根据ＡＥＳ加密算法Ｓ—Ｂｏｘ的构造方 法和仿射变换原理，对于任意的ｕ，ｖＥ ＧＦ（２ ），仿射变换 周期有１、２、４、８和１６这５种，而在Ｓ—Ｂｏｘ的构造中却选 雪崩效应 ：设Ｆ（ｘ）一（ｆ （ｘ），…，ｆ （ｘ））是ＧＦ（２）“ 到ＧＦ（２）“的多输出布尔置换，若对任意的ａＥ ＧＦ（２）“且 Ｗ（ａ）一１，即ａ的汉明重量为１时，有ｗ（ｆ．（Ｘ＋ａ）＋ｆ．（ｘ）） 择了周期为４的仿射变换。参考文献［５］指出仿射变换周 期越大，Ｓ—Ｂｏｘ安全性就越好，因此在改进的Ｓ—Ｂｏｘ中 可考虑使用周期为１６的仿射变换对。 （３）定义３ 一２一 （１≤ｉ≤ｎ），则称Ｆ（ｘ）满足严格的雪崩准则ｓＡＣ，称 迭代输出周期 ：从其中一元素开始对Ｓ—Ｂｏｘ做连 续替换直到回到该元素所经过的元素数。Ｓ—Ｂｏｘ具有５ ＤＳＡＣ（Ｆ）＝∑∑１ ｗ（ｆ。（ｘ＋ａ）＋ｆｉ（ｘ））一２ 是 １ ｌ ａＥＧＦ（２）ｎ Ｗ（ ）＝１ Ｆ（Ｘ）的严格雪崩准则距离。因此当ＤＳＡＣ（Ｆ）为０时，Ｆ（ｘ）满 足严格雪崩准则，当ＤＳＡＣ（Ｆ）不为０时，其值越小扩散性能 个迭代输出周期且均小于８８，分别是８７、８１、５９、２７、２，其 短周期现象给密码分析提供了可能性，增大迭代输出周期 有利于提高算法的安全性。 （４）定义４ 平衡性 ］：设Ｆ（ｘ）＝（ｆ （ｘ），…，ｆ （ｘ））是ＧＦ（２）“到 ２ ｌ 就越好。参考文献［８］给出Ｓ—Ｂｏｘ的ＤＳＡＣ（Ｆ）＝４３２。 ３ 改进的ＡＥＳ加密算法及性能分析 ３．１ 改进方法 改进的ＡＥＳ加密算法主要是对Ｓ—Ｂｏｘ进行重构，通 ＧＦ（２）“的多输出布尔置换，若满足＞：ｆ。（ｘ）一２ （１≤ｉ ‘。。——ｘ＝０ ≤ｎ），则称Ｆ（ｘ）满足平衡性。而ＡＥＳ加密算法中的 ２５Ｓ 过上述对Ｓ—Ｂｏｘ的代数性质分析，增大仿射变换周期和迭 代输出周期有利于提高算法的安全性，且Ｓ—Ｂｏｘ的代数表 达式项数较少只有９项，代数复杂度低则算法抵御代数攻 击性能弱。笔者通过大量的对比试验发现，Ｓ—Ｂｏｘ的代数 ＞ ｆ （ｘ）一１２８（１≤ｉ≤８），因此Ｓ—Ｂｏｘ满足平衡性。 ｘ一０ （５）定义５ 差分均匀度 ：设Ｆ（ｘ）一（ｆ （ｘ），…，ｆ （ｘ））是ＧＦ （２）“到ＧＦ（２）“的多输出布尔置换，则称 （Ｆ）：ｍａｘ ａ∈ＧＦ（２ ） ｌ ” 表达式项数与构造Ｓ—Ｂｏｘ的求乘法逆元素运算和仿射变 换运算的顺序有关，且为满足Ｓ—Ｂｏｘ和逆Ｓ—Ｂｏｘ均具有 较复杂的代数多项式，可多做一次仿射变换运算，因此重构 ｍａｘ １｛ｘＥＧＦ（２“）ｌＦ（ｘ）０Ｆ（ｘ＋ｄ ）一岛）１为Ｆ（ｘ）的差 ∈ＧＦ（２ ） 分均匀度。ａ，和Ｂ分别为ｉ和ｊ的二进制表示，且ｉ，ｊ一１， ２，…，２“一１。算法的抗差分分析能力主要与Ｓ—Ｂｏｘ的差 的Ｓ—Ｂｏｘ可先对字节元素做仿射变换运算，再求乘法逆元 素运算，最后再做～次仿射变换运算。而仿射变换周期和 敬请登录网站在线投稿 ２０１８年第７期 《平 机 嵌入ｉｌ：禾雠‘应冈》 ２７ 迭代输出周期与仿射变换对的选取有关，根据定义２得到 仿射变换周期为１６的仿射变换对共有８ １９２对，按照新ｓ— 表２改进后的逆Ｓ—Ｂｏｘ替换表 Ｙ Ｂｏｘ的构造原理选出其中９１对，使得Ｌ…具有唯一一个周 期２５６的置换表，根据定义８分别计算所有仿射变换对的 Ｏ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ ｂ ｄ ｅ ｆ Ｏ ４７ ７ｃ １ｅ ３９ ８ａ １８ ５１ ９ｆ ２Ｏ ７７ ｂ８ ５２ ７ｄ ８４ ａ９ ３８ １ ａ０ ０９ ｂ０ ４２ ｂｂ ８１ ａ５ ｃ５ ｂ２ ８２ ９ｂ ｄ８ ａｅ ｃ７ 严格雪崩准则距离，得到仿射变换对（７９，５１）的ＤＳＡＣ（Ｆ） 最小为３７２。因此，重构的Ｓ—Ｂｏｘ具体步骤如下： ①首先选取仿射变换对（７９，５１）做仿射变换，运算过 程如下 Ｘ ● ２ ８ｂ ｂ９ ｆＯ ｅ５ ｃｄ １２ ｅｄ ｆ９ ４ｂ ０ａ ５３ １６ ３ｅ ０ｅ ｆ３ ｅ３ ３ ａＣ Ｏｆ ｅ２ ３ａ ８８ ｆ６ ５９ ７Ｏ ｃ２ ａｄ ３２ ６８ ｃ３ ７５ ｅ９ ５８ ４ ｃ６ １１ ｅ６ ｄ９ ｄａ ６ｂ ｃｂ ａ２ ８９ ａ３ １７ ６９ ｅ１ ３ｆ ４ｃ ５ ａｌ ｂｌ ８３ ９８ Ｏ２ ６７ ９ａ Ｏｂ ６ａ １５ ｃｌ ｆ５ ｅ０ ２ｄ ｆｅ ８ｃ ６ ｆ２ ｄ５ ｃ４ ４ｅ １ｂ ３ｌ ｃＯ ３ｄ ｆ８ ４５ ７６ ０ｄ ７４ ｆｄ ４ｄ ６１ ７ ５０ ６ｃ ９７ ５６ ９９ ｃ９ ５ａ ｂｆ ２１ ｂ３ ７ｅ ２ｃ １ｄ ｄ２ ｄｂ ｆ４ ８ ３ｂ ２２ ４３ ６０ ｅｆ ４１ ｂｅ ２ｅ ９１ ｆ１ ｆｆ ｅ８ ５４ ｂ５ Ｏ３ ｘ 一Ｌ７９．５ｌ（ｘ）一ＬｂＸ ｘ＋’５１ 一 斯斯斯斯 确 ９ ７８ ｃｆ ７ｆ ６５ Ｏ１ ｂ４ ａ４ ３３ ４４ ａ８ ６ｅ ７２ ９２ ２９ ９４ ｄ４ ｈａ １０ Ｃｅ ４９ ２３ ｅｂ ４ａ ｆ７ ０６ ｄｆ ８０ ｄｌ ｆｃ ０４ ７９ ｂ ４ｆ ６ｄ ２７ ９５ ５ｄ １ａ ９ｅ ３６ ９Ｏ ７２ ｄｅ ３５ ０５ ５ｅ ｄ６ ３７ Ｃ ０ｃ ４８ ７ｂ ２８ ７１ ａｆ ３４ ｅ４ ５ｂ ８ｆ ４６ ｆａ ｃ８ ７ａ ６２ ＋ ｄ ８７ ａｂ １ｃ ２ｆ ８６ ９ｃ １３ ａ７ ０７ ｂｃ ８ｅ ２４ ｄ７ ５ｃ ｄｃ ８ｄ ３０ ３ｃ ９ｄ ９６ ２６ ６ｆ ６４ ２５ ｄｄ ２ｂ ５５ ｅ７ ｆｈ ２ａ ｂ６ ０８ ｆ １４ ６６ ５７ Ｏ０ ｂ７ ４０ ¨ ｂｄ ６３ ｄＯ ８５ １９ ９３ ｄ３ ５ｆ ａ６ ３．２ 性能分析 ②求乘法逆元运算 ｆ ｘ”一 ｘＩ １： ．根据定义４～７，改进后的ＡＥＳ加密算法Ｓ—Ｂｏｘ在平 衡性、差分均匀度、非线性结构和抗代数攻击阻力上均不 变。由于重构ｓ—Ｂｏｘ时改变了求乘法逆元和仿射变换运 ｌ ③最后依然用仿射变换对（７９，５１）再做一次仿射变 换Ｌ７ ｙ—Ｌ７９．５１（ｘ”）一Ｌｂ×ｘ”＋’５１ 算的顺序，并增加了一次仿射变换运算，Ｓ—Ｂｏｘ的代数复 杂度有所提高，Ｓ—Ｂｏｘ的代数项数由原来的９项增加到 ２５５项，而逆Ｓ—Ｂｏｘ的代数项数也只由原来的２５５项降 到２５３项。选取仿射变换周期为１６的仿射变换对 任一仿射变换Ｌ…均存在逆仿射变换ＬＴ．：一Ｌ ，，使 得Ｉ （Ｌ…（ｘ））一ｘ，Ｖ ｘ∈ＧＦ（２。），其中ｕ∈ＧＦ（２ ）／ ｛０｝，ｖ∈ＧＦ（２ ） 。本文采用的仿射变换对为（７９，５１）， 因此逆仿射变换为Ｌ。 ，逆Ｓ—Ｂｏｘ的构造步骤同Ｓ— Ｂｏｘ。重构后的ｓ—Ｂｏｘ和逆Ｓ—Ｂｏｘ如表１和表２所列。 表１改进后的Ｓ—Ｂｏｘ替换表 （７９，５１），使得Ｓ—Ｂｏｘ的严格雪崩准则距离由４３２下降到 ３７２，具有更好的雪崩效应。改进前后Ｓ—Ｂｏｘ性能对比如 表３所列。 表３改进前后Ｓ—Ｂｏｘ性能对比表 原Ｓ—Ｂｏｘ 新Ｓ—Ｂｏｘ 平衡性 Ｙ 平衡函数 ４ １１２ 平衡函数 ４ １１２ 差分均匀度 Ｏ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ ｂ Ｃ ｄ ｆ ０ ａ４ ０８ ６ａ ｅ０ ｆ１ ６９ ０ｃ ｅｆ ３３ ｆｄ ４ｄ ２７ ｅ４ ００ ５８ ９４ 非线性度 １ ｆｆ ａ４ ７ｂ ４１ ｂ０ １５ ５ａ ａｅ ３９ ８ｆ ９０ ７４ ｂ９ １３ ｂｅ ７ｆ ２ ４９ ８１ ９９ ｄ２ ０ａ ｆ８ ７１ ０４ ｂｌ ５ｂ １２ ６４ ３０ ｃ４ １ｂ ｄｂ ３ ｅｂ ｂｄ ８ｅ ２２ ６ｅ ２８ ａ２ ４６ １ｃ ｄｌ ８９ ４７ ４ｅ ９ｆ ６８ ３ｃ ４ ５４ ７ｅ １Ｏ ａ８ ｄＯ ７０ ｃｆ ７２ ７６ ４０ ｂ８ ２ｃ ７５ ０３ ７ｃ 仿射变换周期 Ｓ—Ｂｏｘ严格雪崩距离 Ｓ—Ｂｏｘ代数表达式项数 ４ ４３２ ９ １６ ３７２ ２５５ 逆Ｓ—Ｂｏｘ代数表达式项数 抗代数攻击阻力 ２５５ ｒ≈２ 。 ２５３ ｒ≈２。 。 ５ ３ａ ｃ３ ９ｃ １１ ｆｃ ａｄ ４ｆ ｆ６ ａ５ Ｏ５ ｅ３ ５１ ２ｆ ５２ ９ｄ ２１ ６ ９２ ３ｄ ｄ３ ８５ ａ３ １６ ｃｄ ｅｅ ３２ Ｘ ３ｆ ｃ２ ５９ ｄ９ １ａ ｂａ ７ ５３ ３５ ５０ ｂ５ ｆ２ ３ｂ ３７ ７３ ｆ５ ４ｂ ９ｂ ２９ ａ７ ６２ ｂ４ ０２ ８ ６ｆ ９ｅ ｂｆ ０ｂ ９７ ａ１ ｆ７ ｛Ｏ ｅ６ ｂ２ ８４ ａｂ ４４ ９６ ６３ ８０ ９ ｄｅ ５５ ７７ ｄ８ ４８ ｃＯ ＣＣ １ｄ ａＣ ６５ １４ ｅｄ ６ｄ １８ ９ａ ｄｃ ９１ ｃ９ ２３ ｅ５ ｂ３ ｅｌ ７８ ８３ ３４ ｃ６ ｄ７ ７ａ ｃ８ ８ｂ ５ｄ ２０ ｂ ｆ３ ８６ ｃ５ ｆ９ ｆａ ０ｄ ６１ ４３ ｆ４ ａ０ ５ｃ ｆｅ １ｆ ｂｂ ３８ ｄｄ ｅ２ Ｏ９ １９ ｅ８ ｃ７ ｆｈ ｄ４ ０１ ６６ ｄａ １ｅ ２ｂ ａ９ ４２ ７ｄ ４ 实验验证 实验首先对改进后的加密算法进行验证，选取明文为 ｛Ｏ１，０２，Ｏ３，Ｏ４，…，０ｆ，００），密匙为｛２ｂ，７ｅ，１５，１６；２８，ａｅ， ｄ ５７ ｂ７ ９５ ２ｄ ４ａ ２５ ７９ ３ｅ ９８ ４ｃ ４５ ｅ７ ８ｃ ２ｅ ｄ６ ８ｄ ２６ ３６ Ｏ６ ｃｉ ８ａ ａ６ ６Ｏ ｃｂ ８７ ｄ５ Ｏ７ ｂ６ ８８ ６ｂ ５ｅ ｅ９ ｄ２，ａ６；ａｂ，ｆ７，１５，８８；０９，ｃｆ，４ｆ，３ｃ｝，用Ｃ语言编写程序，并 在ＶＣ６．０编译环境下运行后得到如图２所示的界面，加 密后的密文为｛ｄｅ，Ｏｆ，４３，ｅ７，…，ａ６，５７｝。 ｆ ｄｆ ５６ ａｆ ２４ Ｃａ １７ ８２ ９３ ５ｆ ６７ ６ｃ ２ａ ３１ ａａ ｂｃ ０ｆ ２ ８ Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ＆Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ２０ １８年第７期 ＷｗＷ．ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ 其次在ＣＡＮ开发 ｆ通信中进行验证，开 主控芯片采用稳定 ｏ１ ０２ ｌ０３ ０４ Ｉ 睫墅 Ｉ ：塞 呻璺 １．取 盏＝ ！蔓———●■冒 ＿鼍算啪．照算 一 宴晦． 舅■ 蜘孟睫．１ Ｈ ■堂¨ｅ ＿，Ｉ曩－ｉ· … － ｌ０Ｓ ０６ ０ ０８ ０９ ０ａ ０ｂ ０ｃ １ ０ｄ ０ｅ ｌｏｆｔ ００ ．Ｊ ｌ １ ｌ 目ｆⅢ¨ 一 …’ｉ西 蕊一 赫蠢 ＝１’ 。 ＿＿＿………………………～…………………… 一 。 ’ … 好的ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ ｝吾 ＾： 『 ｄｅ ０ｆ ’４：｛ ｅ７ 机，ＣＡＮ控制器和 哪｝ｊ．！ … — ｌ酬ｌ 毡 目ｉ …一…一！………一 ｉ ｌＤ ｌ。 ： 即＿ｌ ｌ ．：：；：：：；．葫 ¨。：。－： ＿一…………，·．Ｉ ●Ｄ●ｓ ０－６ Ｄ●７ Ｌ扪 ＦｍＩ Ｔｖ口 ４ｄ ２９ ８ａ ｌ １ｌ Ｒ １ ２ ｂｈ ｃ２ ０４ ａ６ ｌ９ｃ ｄＩｌ Ｓ７ Ｉ Ｊ 【一Ｌ誊… 肇一 ：器分别为ＳＪＡ１０００ ｒＪＡ１０５０，且开发板 一Ｅ Ｏｌｅｏ Ｏ，ｍ 。 【Ｐｌ’ｃ Ｉ＇ ｔ’Ｉｌ ｋ·ｌ ｔ０ Ｌ’０ ｒ－ｔｉＩｌＩｔｌｔ￣ Ｉ 文本矗示 熬拥墨蔫科城【 个４位的数码管 图２加密算法验证界面 『于显示加密后的数据。将３块ＣＡＮ开发板以总线型 扑结构连成网络，并把ＣＡＮ—Ｈ、ＣＡＮ—Ｉ 、ＶＣＣ、ＧＮＤ ‘应相连，其中的一块开发板设为主节点，用于发送数 余两块设为从节点，用于接收数据，主节点与ＵＳＢ— 转换模块相连，ＵＳＢ—ＣＡＮ分析仪可以通过ＵＳＢ接 ＣＡＮ网络与电脑的上位机软件ＥｍｂｅｄｅｄＤｅｂｕｇ ｖ２．０ ：，图４上位机软件监控数据图 逆Ｓ—Ｂｏｘ表，提高了算法的安全性，实验过程中程序运行稳 定，实验结果表明，加密后的数据可在ＣＡＮ总线上正常通 信。下一步工作将在保证算法的安全性的同时，着力提高算 法的执行时间，以保证在ＣＡＮ通信过程中实时有效。本文 设计具有一定的应用价值，可供借鉴。－Ｅ 参考文献 ［１］饶运涛，邹继军．现场总线ＣＡＮ原理与应用技术［Ｍ］．北京： 北京航空航天大学大学出版社．２００３． 便于数据的采集、处理以及对数据的收发进行实时 ！。本实验输入的明文为｛０１，０２，０３，Ｏ４，…，Ｏｆ，Ｏ０｝，得 『密文为｛ｄｅ，Ｏｆ，４３，ｅ７，…，ａ６，５７｝，在ＣＡＮ通信实验 序中只写入加密函数而不进行解密，并让加密后的密 过数码管显示，由于数码管只有４位，只能显示密文 ４位即｛ｄｅ，Ｏｆ．４３，ｅ７｝，实验现场图如图３所示。 ［２］张丽红。凌朝东．基于ＡＥＳ算法中ｓ盒的分析研究与改进 ［Ｊ］．信号处理，２Ｏ１１，２７（９）：１４２８—１４３３． ［３］王衍波．ＡＥＳ的结构及其ｓ—ｂｏｘ分析［Ｊ］．解放军理工大学学 报，２００２，３（３）：１３—１ ７． ［４］马虹博．ＡＥＳ的Ｓ盒和逆ｓ盒的代数表达式［Ｊ］．计算机工 程，２００６，３２（１８）：１４９—１５２． ［５］王衍波．ＡＥＳ的ｓ一盒仿射变换的性质［Ｊ］．解放军理丁大学 学报，２００３，４（２）：５—９． Ｅ６］温巧燕．现代密码学中的布尔函数［Ｍ］．北京：科学｝ｆＪ版 社，２０００． ［７］崔杰．Ｒｉｊｎｄａｅｌ中若干关键问题的研究［Ｔ）］．合肥：中国科学 图３ ＣＡＮ总线通信实验现场图 技术大学，２０１２． 由图可以直观看出，数码管在第二位正常显示了数字 余三位是由于在数码管函数中未作定义而随机生成 ：选。再把解密函数写入实验程序中，数码管正常显示 ［８］孙爱娟．基于ＡＥＳ加密算法的改进及其ＭＡＴ１ ＡＢ实现 ［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨理工大学．２００９． ［９］Ｍｕｒｐｈｙ Ｓ，Ｒｏｂｓｈａｗ Ｍ．Ｅｓｓｅｎｔｉａｌ Ａｌｇｅｂｒａｉｃ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ＡＥｓ［ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２２ｎｄ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｒｙｐｔｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｃｒｙｐｔｏｌｏｇｙ．ＵＫ： ＳｐｒｉｎｇｅｒＶｅｒｌａｇ，２００２：１—１６． ：送的数据０１，Ｏ２，ｏ３，０４，并打开上位机软件Ｅｍｂｅｄ— ｅｂｕｇ ｖ２．０，可以实时看到数据｛Ｏｌ，０２，Ｏ３，Ｏ４，…，Ｏｆ， 盐行正常的收发，如图４所示。 语 本文基于ＣＡＮ应用层协议设计了一种改进的ＡＥＳ加 陈基昕（硕士研究生）．主要研究方向为嵌入式系统应用。 （责任编辑：薛士然 收稿日期：２Ｏ１８一Ｏ３—２２） ：法，对ｓ—Ｂｏｘ进行了重构，并给出了重构后的ｓ—Ｂｏｘ和 ｔ请登录网站在线投稿 ２０１８年第７期 《羊 机 嵌入式系碗应冈》 ２９
