一種隨機(jī)密碼表庫多表替換字符加密思想

韓 磊

1.北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100044 2.中國(guó)人民解放軍66402部隊(duì)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050

0 引言

大多數(shù)現(xiàn)代加密算法都沿續(xù)了古典加密思想的思考方式，所以運(yùn)用現(xiàn)代的新技術(shù)思想繼續(xù)打造安全可靠的古典加密方法仍是一個(gè)現(xiàn)實(shí)可行的思路。在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之前，無法編制足夠多的密碼本，繁瑣的檢索和長(zhǎng)時(shí)間的加解密過程都是制約古典密碼思想發(fā)展的因素。本文將利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，建立由大量隨機(jī)密碼表組成的碼本庫，設(shè)計(jì)一種新的多表替換密碼，本文稱之為隨機(jī)字庫碼，簡(jiǎn)記為 C2R2（Random Replace Character Cipher）。

目前在字符級(jí)加密（尤其是針對(duì)漢字字符特點(diǎn)的加密）領(lǐng)域的研究和相關(guān)文獻(xiàn)很少，不利于古典密碼思想與現(xiàn)代密碼學(xué)結(jié)合應(yīng)用的發(fā)展，本文在這方面作出了有益的嘗試。

1 C2R2概述

C2R2借鑒分組密碼一組一密鑰的思想，使每個(gè)字符都對(duì)應(yīng)至少一個(gè)密碼本，繼承了多表替換密碼在隱藏單字符的頻率分布的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)改進(jìn)的隨機(jī)替換方式解決了傳統(tǒng)多表替換具有周期性、抗字典攻擊和抗窮舉攻擊能力差的問題。

2 C2R2設(shè)計(jì)

2.1 漢字分組

由于簡(jiǎn)單多表替代編碼，用統(tǒng)計(jì)字頻的方法就可以較輕易地推算出可能的替換表。所以，C2R2利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)對(duì)字頻高的字符的對(duì)應(yīng)碼本進(jìn)行擴(kuò)容，將其代替字符的數(shù)量大大增加，從而達(dá)到分散其字頻分布的效果。針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境，字頻統(tǒng)計(jì)結(jié)果也不同，具體分組應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況統(tǒng)計(jì)分析之后決定。本文只考慮一般性需求，將GBK中的20902個(gè)漢字分為四級(jí)：一級(jí)頻用字，約占0.2%；二級(jí)常用字，約占11.4%；三級(jí)鮮用字，約占38.4%；四級(jí)不用字，約占50%。

2.2 密碼本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

將每個(gè)字符視為一個(gè)碼本，每個(gè)碼本為一個(gè)8*8n的數(shù)組，本文以最簡(jiǎn)單的8*8結(jié)構(gòu)為例。

碼本1-8位是跳位標(biāo)識(shí)符T，表示目標(biāo)字符碼本的位置，范圍是0-255，分別表示明文中與自身相距0到255個(gè)字符的位置；9-16位是密鑰識(shí)符A，用于指出目標(biāo)碼本的生效字符，范圍是0-255，表示第一個(gè)碼本中有效的替換字符編號(hào)（對(duì)于8*8結(jié)構(gòu)的碼本僅有1、2、3三個(gè)編號(hào)）；17-64位分3段，每?jī)蓚€(gè)字節(jié)表示一個(gè)備選替換字符。跳轉(zhuǎn)位和密鑰位的值都由系統(tǒng)隨機(jī)生成，備選替換字符的值則由分配算法依規(guī)則計(jì)算得出。

2.3 備選替換字符分配算法

不包含外文字符和特殊符號(hào)，僅用一至三級(jí)漢字編寫密文，用全部四級(jí)漢字編制明文的規(guī)則下：

1）三級(jí)鮮用字，每個(gè)字在所有碼本中出現(xiàn)且僅出現(xiàn)一次；

2）二級(jí)常用字，每個(gè)字在所有碼本中出現(xiàn)5～10次且不在同一碼本中重復(fù)出現(xiàn)；

3）一級(jí)頻用字，每個(gè)字在所有碼本中出現(xiàn)500次且不在同一碼本中重復(fù)出現(xiàn)；

4）碼本空余替換字符位隨機(jī)抽取一級(jí)頻用字填補(bǔ)。

2.4 C2R2算法

明文：M=m1m2…mi…mj

密文：C= c1c2…ci…cj

編碼密鑰：{T0,A0};{T1,A1},{T2,A2},…,{Ti,Ai},…,{Tj,Aj}

{T0,A0}取自標(biāo)識(shí)字符的跳轉(zhuǎn)位和密鑰位，{Ti,Ai}取自有效碼本字符的跳轉(zhuǎn)位和密鑰位

替換函數(shù)：F（x,k）,f（x,y,K）

檢索函數(shù)：s（m）輸入一個(gè)明文字符m返回一個(gè)字符位包含m的碼本字符k

密碼本庫 ：{k1,k2,…,kp,…,kq},{K1,K2,…,Ku,… ,Kv}

冗余函數(shù)：r（n）隨機(jī)添加n個(gè)冗余字符

判斷函數(shù)：A（k）返回輸入字符k密鑰位的值，T（k）返回輸入字符k跳轉(zhuǎn)位的值

加密過程：

c1= r（1）r（T0）F（A0,s（m1））

ci=r（Ti-1）F（Ai-1,s（mi）） （i＞1）

密文中第一個(gè)字符為隨機(jī)選取，其跳轉(zhuǎn)位T0表示第一個(gè)明文字符的替換字符的位置，冗余函數(shù)r在它們之間隨機(jī)填充T0個(gè)字符；密鑰位表示第一個(gè)有效字符碼本中生效的替換字符編號(hào)。第一個(gè)有效字符的跳轉(zhuǎn)位表示第二個(gè)有效字符碼本的位置；生效替換字符即為明文的第一個(gè)字符，以此類推。

解密過程：

mi=f（Ti-1,Ai,s（mi））

密文中第一個(gè)字符為標(biāo)識(shí)字符，其跳轉(zhuǎn)位表示第一個(gè)有效碼本字符的位置；密鑰位表示第一個(gè)有效碼本字符中生效的替換字符編號(hào)。第一個(gè)有效字符的跳轉(zhuǎn)位表示第二個(gè)有效碼本字符的位置；生效替換字符即為明文的第一個(gè)字符，以此類推。

2.5 密鑰同步

初始狀態(tài)下，密報(bào)收發(fā)雙方終端程序的碼本庫生成密鑰是一樣的，所以密報(bào)的接收方可以讀取每個(gè)字符的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和隱含信息，實(shí)現(xiàn)解密過程。在發(fā)送端傳出密文時(shí)，可以在密文中最后一個(gè)有效碼本字符后添加字符串，作為新的密鑰。字符串添加原則是：字串的長(zhǎng)度最小為1且不大于字串中第一個(gè)字符跳轉(zhuǎn)位的數(shù)值。密報(bào)接收端在解密完成的同時(shí)，讀取字符串包含的二進(jìn)制信息，其作為下一次碼本庫生成的密鑰。

3 結(jié)論

目前C2R2加密所得到的密文是無意義的字符串，但理想狀態(tài)是能夠在完成加密過程后，添加冗余字符的同時(shí)組成一篇順暢的普通文章，而且文章須具備發(fā)信方的寫作習(xí)慣和用詞特點(diǎn)等特征，不能夠利用語言學(xué)和心理學(xué)等分析手段推理出破綻。相信運(yùn)用大量機(jī)器計(jì)算和巧妙人工構(gòu)造相結(jié)合的方式，最終的完美加密是有可以實(shí)現(xiàn)的。

[1]宣蕾，閆紀(jì)寧.基于混沌的“一組一密”分組密碼[J].通信學(xué)報(bào)，2009，30(11A).

[2]張玉安，馮登國(guó).一種實(shí)用的仿一次一密分組加密方案[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，28(2).

[3]李春林，宋建社.古典多表密碼體系的改進(jìn)[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2003，12.