IDEA加密解密算法的設計與實現策略探究

魏革

摘要：隨著社會不斷的進步和發展，網絡的應用越來越廣泛，如何解決網絡安全問題顯得日益重要。解決網絡安全問題的關鍵就是信息和數據傳輸的安全性，而IDEA加密解密算法在保證信息傳輸安全性方面起著重要的作用，因此，文章將簡單介紹密碼學的基礎知識，并對IDEA加密解密算法進行概述，主要研究了IDEA加密解密算法設計一些改進的建議和計算方法，使得該算法可以更加有效地運用在生活中，提高數據傳輸的安全性，取得該算法的經濟效益和社會效益。

關鍵詞：IDEA；加密解密；改進

國際數據加密算法IDEA（International DataEncryption Algorithm）密鑰長度128位，密鑰空間是2128，屬于對稱加密算法的一種，該算法具有保密性強、加密速度快的特點。1990年，曾被瑞士聯邦技術學院的來學嘉X.J.Lai和Massey建議稱為PES，1992年Lai和Massey提高了該算法的抗差分分析能力，并改成位IDEA。IDEA逐漸代替了DES，并被譽為“好的分組密碼”，應用在許多行業和產品中。

1 密碼基礎知識

1.1 密碼學的基本概念

密碼學的基本概念主要包括5個部分：明文（沒有加密數據，也就是算法的輸入）、密文（加密后的數據，即算法的輸出）、加密算法（從明文到密文的轉換）、解密算法（從密文到明文的轉換）、密鑰（加密解密算法的輸入，獨立于明文密文及算法）。

一個完整的密碼體制通常包括5個部分：明文空間（所有明文的集合）、密文空間（所有密文的集合）、密鑰空間（所有密鑰的集合）、加密算法（加密密鑰控制的加密運算）、解密算法（解密密鑰控制的解密運算）。

1.2 密碼體制

1.2.1 古典密碼學

在古典密碼學中，主要分為單表密碼體制和多表密碼體制2個部分，加密解密算法一般運用加密表一一對應的關系來進行，根據使用的表的個數區分。因此這種加密解密的算法具有比較簡便、容易理解、安全性較低的特點，它的規律性和線性較強，容易破譯，該算法為現代密碼學奠定了基礎，是現代密碼學的雛形。

1.2.2 公鑰密碼

公鑰密碼（非對稱密碼）的主要內容就是加密密鑰是公開的，安全性主要是數學上的難題。該加密解密算法主要是根據單項函數和單向限門函數的設計，在該算法中運算是不可以逆轉的，并且包括2個密鑰，即公鑰（可以向大家公開的）和私鑰（只有擁有者可以知道）。該體制具有加密密鑰可以公開的優點，但是也存在運算速度較慢的問題，因此，只有一些安全級別較高的信息才可以用公鑰密碼體制加密。

1.2.3 分組密碼

分組密碼（對稱密碼或秘密鑰密碼），目前廣泛地應用在各個方面的密碼體制，典型的分組密碼有DES、IDEA、NESSIE、韓國標準ARIA，本文將主要探討IDEA加密解密算法。該體制的基本原理就是：先將加密明文分成長度相同的分組，不足的比特用“0”或“1”補，不同的算法有不同的補足方法，然后對長度相同的分組的加密數據進行結合就可以得到密文。這種體制具有安全性高、運算速度較快、易于硬件實現的特點。

1.2.4 序列密碼

序列密碼（流密碼）常用于特殊場合，比如軍事安全和國際外交等安全級別較高的領域，它屬于分組密碼的一類，但與分組密碼又有一些不同。該體制的基本原理是：用一個隨機的密鑰序列和明文序列疊加起來產生密文，并用同一個隨機序列和密文序列疊加起來恢復密文，所有的密鑰都是隨機序列。該體制被譽為“一次一密”，因此攻擊者破譯起來較難。序列密碼轉換速度快，傳播粗無低，易于硬件實現，但也存在一些缺陷，比如擴散都低、插入的不敏感性、密鑰管理困難等問題。

2 IDEA加密解密算法的概述

2.1 IDEA加密算法的特性與密碼強度的關系

第一，分組長度。首先，如果分組的長度夠強，對于阻止統計分析越有利，阻止破壞者利用一些分組比其他分組出現機率頻繁的現象。其次，加密函數的分組的增大則該函數的復雜性指數也會隨之增大，一般情況下，分組大小為64位就足夠了。最后，如果想加強算法的強度可以使用密碼反饋操作辦法，可以進一步加強密碼的強度。第二，密鑰長度。為了防止被窮舉式密鑰搜索到，密鑰的長度應該夠長，并運用128位的密鑰長度，保證IDEA在長時間內的安全性。第三，擾亂。密文對密鑰的依賴關系越復雜，密文和明文統計特性之間的依賴關系越復雜，這樣密碼的強度就越強。第四，擴散。每個明文比特和每個密鑰比特之間應該相互影響，單個的明文比特擴散到密文比特就會掩蓋明文比特的統計性，增加密碼的強度。通過循環8次后，有效地提高了擴散性。

2.2 IDEA加密

IDEA加密方案與其他方案的加密一樣，加密函數包括64位長度的待加密明文和128位的密鑰2個輸入。

IDEA總共進行8次循環和1次變換函數。該過程有6個子密鑰和額外的4個子密鑰輸出變換，共52個子密鑰從128比特密鑰中擴散出。輸入64bit的明文數據，并分成X1，X2，X3，X4這4個16bit的子塊，將這4個子塊進行第l輪的循環輸入，一共循環輸入8次。每一次循環時，這4個子塊相加相乘、相互異或，最后輸出密文Y。

2.3 IDEA解密

解密過程和加密結構基本上是一樣的，不過是使用不同的子密鑰，并將解密密鑰擴展，運用加法逆或者乘法逆的方法運算。加密時用的密鑰EK，解密時變成DK，同樣是輸入64bit的數據塊，并分成Y1，Y2，Y3，Y4這4個16bit的子塊進行循環輸入，一共進行8次循環輸入。

2.4 IDEA加密解密算法

IDEA加密和解密的算法是相同的，處理的過程中，就是將63bit輸入分成16bit的4個子塊A，B，C，D，然后進行8次循環，得到最后的輸出效果。

2.5 IDEA密鑰生成的算法

在密鑰生成的算法中，有223個密鑰是一個線性因子，有235個是概率為1的環形階，還有251個可以解非線性布爾等式的密鑰是否屬于這一部分，如果使用的密鑰是這一部分的，就可以找到辦法破譯程序。這種辦法可以針對IDEA的密鑰進行線性分析，極大地影響密碼的安全性。

2.6 IDEA的實現

IDEA的實現主要包括方便硬件實現和方便軟件實現2個部分。在軟件實現方面應該遵循2個原則：第一，使用子分組。子分組有8，16，32bit，為了使密碼操作方便軟件操作，IDEA應該采用16bit的子分組；第二，操作簡單方便。加密和解密的程序類似，便于在同一設備上既可以加密又可以解密；密碼要求是有規則的模塊化結構，以便實現VLSI。

3 IDEA加密解密算法的改進

雖然IDEA的安全性強，計算速度快，但IDEA加密解密算法也有其缺陷，比如存在大量的弱密鑰，所以要對IEDA的加密解密算法進行改進。

3.1 IDEA加密算法的改進

可以對加密過程的第2個過程和第3個過程進行改進，改進后的算法和原本的算法差別不大，但是在第3個步驟有所改變。

3.2 IDEA解密算法的改進

IDEA解密算法的改進和加密算法基本上是一樣的，主要是改變第3個步驟的算法。當然，與加密算法一樣，解密算法改進后所使用的子密鑰也會跟著改變，或者使用轉換過的加密密鑰。而且可以使用求乘法逆元和求加法逆元的方法來導出密鑰，對于每一個加密子密鑰，該加法逆元也是唯一的。

3.3 改進IDEA密鑰生成算法

IDEA加密解密算法的改進主要是針對第2個步驟和第3個步驟的運算，雖然已經具有了較強的攻擊性，但是如果密鑰生成算法過于簡單，就會導致IDEA出現大量的弱密鑰。通過置換、循環左移的辦法來改進密鑰的生成，本文將通過采用置換的方法舉例說明，達到混淆的目的，計算出一個不可逆轉的種子密鑰。

具體的算法根據以下步驟：（1）把128bit的數據分成8個子塊。（2）將8個子分組分別進入置換P1，置換出12bit的密鑰。（3）把第2步置換的12bit的密鑰跟下一個12bit的密鑰合成進入置換P2，計算出16bit的子密鑰。（4）將第3步循環執行7次，可以計算出7個16bit的子密鑰。（5）把8個子分組合成的128bit的密鑰K，循環左移25位，執行第2步和第3步，又可以輸出8個子密鑰。（6）將第5步循環4次，又可以輸出32個子密鑰。（7）執行第5步輸出8個子密鑰，將4個子密鑰保持，剩下4個丟棄，最后就可以得到需要的52個子密鑰了。

該密鑰的生成算法改變了原有算法形成密鑰之間的線性關系，大大加強了密鑰的安全性。

4 結語

在科學技術突飛猛進的同時，人們對計算機技術和數據安全的要求也越來越高，要求對所傳輸的數據和信息進行加密及解密。因此，本文通過對IDEA解密加密的詳細闡述，提出相應的改進措施，提高了密碼的安全性，保證了數據傳輸過程中的安全，從而建立一個安全、可靠、快捷、方便的網絡系統，為網絡生活乃至其他方方面面提供便利。可以看出，在網絡不斷發展的今天，信息傳輸變得不可或缺，在人們日常的網絡生活中不僅僅要設置比較復雜的密碼，同時更要抵擋密碼竊取者的破譯，這就更需要不斷地研究IDEA加密解密的方法，在原有的基礎上改進和創新，使其更有助于網絡安全乃至整個社會的和諧發展。