轻量级密码算法PRESENT的C语言实现(无第三方库)

一、PRESENT算法介绍

PRESENT是一种超轻量级分组密码算法,由Bogdanov等人在2007年提出,专门为资源受限环境如RFID标签和传感器网络设计。该算法在硬件实现上仅需1570个门等效电路(GE),在保持较高安全性的同时实现了极小的硬件占用空间。PRESENT标准文档下载地址为:PRESENT: An Ultra-Lightweight Block Cipher。

PRESENT采用SPN结构,分组长度为64位,支持80位和128位两种密钥长度。算法包含31轮加密操作,每轮由轮密钥加、S盒替换和P盒置换三个步骤组成。其中S盒是一个4位输入输出的非线性变换,P盒则是一个64位的线性置换层。这种简洁的结构使得PRESENT在硬件实现上非常高效。

安全性方面,PRESENT设计时充分考虑了差分分析和线性分析等攻击方法。通过理论证明,任何5轮差分特征至少包含10个活跃S盒,25轮差分特征的概率上限为\frac{1}{2^{100}},线性分析则需约2^{84}个已知明文才能成功攻击,这些安全指标完全满足轻量级应用场景的需求。

二、C语言实现

我们提供的C代码完整实现了PRESENT-80算法,包括加密、解密和密钥扩展功能。实现中定义了几个关键组件:

首先定义了算法核心的S盒和P盒置换表。S盒是一个16元素的查找表,实现非线性变换;P盒则定义了64位状态的置换规则。代码中同时包含了正向和反向的S盒/P盒,分别用于加密和解密过程。

present_permutation函数实现了通用的置换操作,根据传入的置换规则表对输入数据进行重排。这个函数被P盒置换(PSub)和逆P盒置换(InvPSub)复用,通过不同的置换规则表实现不同的置换效果。

密钥扩展部分(present_key_expansionkeyUpdate)实现了80位主密钥到32个轮密钥的派生过程。每轮密钥通过旋转、S盒变换和轮计数器异或等操作生成,确保了密钥材料的充分混淆。

加密过程(present_encrypt_block)遵循算法标准结构:31轮迭代处理,每轮包含轮密钥加、S盒替换和P盒置换,最后再进行一次轮密钥加作为后处理。解密过程(present_decrypt_block)则逆向执行这些操作。

代码中还包含了四个测试用例,验证了实现与标准测试向量的正确性。这些测试用例来自于标准文档,覆盖了全零、全一的明文和密钥组合,能够有效验证算法的基本功能。

#include<stdio.h>
#include<stdint.h>static const uint8_t present_sbox[16] = {0xC, 0x5, 0x6, 0xB, 0x9, 0x0, 0xA, 0xD, 0x3, 0xE, 0xF, 0x8, 0x4, 0x7, 0x1,0x2};
static const uint8_t present_inv_sbox[16] = {0x5, 0xE, 0xF, 0x8, 0xC, 0x1, 0x2, 0xD, 0xB, 0x4, 0x6, 0x3, 0x0, 0x7, 0x9,0xA};static const uint8_t present_pbox[64] = {0, 4, 8, 12, 16, 20, 24, 28,32, 36, 40, 44, 48, 52, 56, 60,1, 5, 9, 13, 17, 21, 25, 29,33, 37, 41, 45, 49, 53, 57, 61,2, 6, 10, 14, 18, 22, 26, 30,34, 38, 42, 46, 50, 54, 58, 62,3, 7, 11, 15, 19, 23, 27, 31,35, 39, 43, 47, 51, 55, 59, 63
};static const uint8_t present_inv_pbox[64] = {0, 16, 32, 48, 1, 17, 33, 49,2, 18, 34, 50, 3, 19, 35, 51,4, 20, 36, 52, 5, 21, 37, 53,6, 22, 38, 54, 7, 23, 39, 55,8, 24, 40, 56, 9, 25, 41, 57,10, 26, 42, 58, 11, 27, 43, 59,12, 28, 44, 60, 13, 29, 45, 61,14, 30, 46, 62, 15, 31, 47, 63
};void present_permutation(const uint8_t *src, uint8_t *res, const uint8_t *rule, uint8_t len) {uint8_t dest_pos, dest_bit;for (uint8_t i = 0; i < len; i++) {res[i] = 0;for (uint8_t j = 0; j < 8; j++) {dest_pos = rule[8 * i + j];dest_bit = (src[dest_pos >> 3] >> (7 - (dest_pos & 0x07))) & 0x01;res[i] = res[i] | (dest_bit << (7 - j));}}
}void addRoundKey(uint8_t *state, const uint8_t *ikey, uint8_t r) {for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {state[i] ^= ikey[8 * r + i];}
}void SubByte(uint8_t *state) {for (int i = 0; i < 8; i++) {uint8_t s0 = present_sbox[state[i] & 0xf];uint8_t s1 = present_sbox[state[i] >> 4];state[i] = s0 | s1 << 4;}
}void InvSubByte(uint8_t *state) {for (int i = 0; i < 8; i++) {uint8_t s0 = present_inv_sbox[state[i] & 0xf];uint8_t s1 = present_inv_sbox[state[i] >> 4];state[i] = s0 | s1 << 4;}
}void PSub(uint8_t *state) {uint8_t tmp[8] = {0};for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {tmp[i] = state[i];}present_permutation(tmp, state, present_pbox, 8);
}void InvPSub(uint8_t *state) {uint8_t tmp[8] = {0};for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {tmp[i] = state[i];}present_permutation(tmp, state, present_inv_pbox, 8);
}void keyUpdate(uint8_t *key, uint8_t rc) {uint8_t k[10] = {key[7] << 5 | key[8] >> 3, key[8] << 5 | key[9] >> 3, key[9] << 5 | key[0] >> 3, key[0] << 5 | key[1] >> 3,key[1] << 5 | key[2] >> 3,key[2] << 5 | key[3] >> 3, key[3] << 5 | key[4] >> 3, key[4] << 5 | key[5] >> 3, key[5] << 5 | key[6] >> 3,key[6] << 5 | key[7] >> 3};k[0] = (k[0] & 0xf) | (present_sbox[k[0] >> 4] << 4);rc = rc & 0x1f;k[7] ^= rc >> 1;k[8] ^= rc << 7;for (uint8_t i = 0; i < 10; i++) {key[i] = k[i];}
}void present_key_expansion(const uint8_t *mkey, uint8_t *ikey) {uint8_t mk[10];for (uint8_t i = 0; i < 10; i++) {mk[i] = mkey[i];ikey[i] = mkey[i];}for (uint8_t i = 1; i < 32; i++) {keyUpdate(mk, i);for (uint8_t j = 0; j < 8; j++) {ikey[8 * i + j] = mk[j];}}
}void present_encrypt_block(const uint8_t *plain, uint8_t *cipher, uint8_t *ikey) {uint8_t state[8];for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {state[i] = plain[i];}for (int r = 1; r < 32; r++) {addRoundKey(state, ikey, r - 1);SubByte(state);PSub(state);}addRoundKey(state, ikey, 31);for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {cipher[i] = state[i];}
}void present_decrypt_block(const uint8_t *cipher, uint8_t *plain, uint8_t *ikey) {uint8_t state[8];for (uint8_t i = 0; i < 4; i++) {state[i] = cipher[3 - i];state[i + 4] = cipher[7 - i];}for (int i = 31; i >= 1; i--) {addRoundKey(state, ikey, i);InvPSub(state);InvSubByte(state);}addRoundKey(state, ikey, 0);for (uint8_t i = 0; i < 4; i++) {plain[i] = state[3 - i];plain[i + 4] = state[7 - i];}
}void print_data(uint8_t *data, int data_len, const char *name) {printf("\t%s: ", name);for (int i = 0; i < data_len; i++) {printf("%02x ", data[i]);}printf("\n");
}void test_case1() {printf("test case 1:\n");uint8_t mkey[] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00};uint8_t plain[] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00};uint8_t ikey[256] = {0};uint8_t cipher[8] = {0};print_data(plain, 10, "plaintext");print_data(mkey, 8, "mkey");present_key_expansion(mkey, ikey);present_encrypt_block(plain, cipher, ikey);print_data(cipher, 8, "ciphertext");
}void test_case2() {printf("test case 2:\n");uint8_t mkey[] = {0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff};uint8_t plain[] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00};uint8_t ikey[256] = {0};uint8_t cipher[8] = {0};print_data(plain, 10, "plaintext");print_data(mkey, 8, "mkey");present_key_expansion(mkey, ikey);present_encrypt_block(plain, cipher, ikey);print_data(cipher, 8, "ciphertext");
}void test_case3() {printf("test case 3:\n");uint8_t mkey[] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00};uint8_t plain[] = {0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff};uint8_t ikey[256] = {0};uint8_t cipher[8] = {0};print_data(plain, 10, "plaintext");print_data(mkey, 8, "mkey");present_key_expansion(mkey, ikey);present_encrypt_block(plain, cipher, ikey);print_data(cipher, 8, "ciphertext");
}void test_case4() {printf("test case 4:\n");uint8_t mkey[] = {0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff};uint8_t plain[] = {0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff};uint8_t ikey[256] = {0};uint8_t cipher[8] = {0};print_data(plain, 10, "plaintext");print_data(mkey, 8, "mkey");present_key_expansion(mkey, ikey);present_encrypt_block(plain, cipher, ikey);print_data(cipher, 8, "ciphertext");
}int main() {test_case1();test_case2();test_case3();test_case4();return 0;
}

 

三、总结

PRESENT算法通过精心设计的简洁结构,在资源受限环境中实现了安全性与效率的良好平衡。其硬件友好的特性使其成为物联网安全领域的理想选择。提供的C语言实现完整展现了算法的工作流程,模块化设计清晰,便于理解和移植。

这种轻量级密码算法代表了密码学在物联网时代的发展方向,即在有限资源下提供足够的安全保障。随着物联网设备的普及,类似PRESENT这样的高效密码算法将发挥越来越重要的作用。我们的代码实现不仅可用于学术研究,也可应用于实际的嵌入式安全解决方案中。

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.hqwc.cn/news/910626.html

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系编程知识网进行投诉反馈email:809451989@qq.com,一经查实,立即删除!

相关文章

图数据库如何构筑 Web3 风控防线 | 聚焦批量注册与链上盗转

本文为悦数图数据库 Web3 场景风控系列文章的下篇&#xff0c;聚焦典型应用场景&#xff0c;如批量注册风控与链上交易风控&#xff0c;通过具体案例展示图数据库如何在实战中识别女巫攻击、羊毛党团伙、资金闭环洗钱等高危行为&#xff0c;帮助业务方构建更具前瞻性的防御机制…

基于边缘计算的丝杆状态实时监测系统设计?

基于边缘计算的丝杆状态实时监测系统设计&#xff0c;可从系统架构、各层功能设计、关键技术应用等方面入手&#xff0c;以下为详细介绍&#xff1a; 系统架构设计 基于边缘计算的丝杆状态实时监测系统通常由感知层、边缘层和云端三部分组成。感知层负责数据采集&#xff0c;…

【6S.081】Lab1 Xv6 and Unix utilities

配置xv6环境 参考这篇文章即可&#xff1a;环境配置 对于xv6的使用&#xff0c;更推荐用VSCode等文本编辑器进行启动&#xff0c;毕竟面对着命令提示符&#xff0c;还是太过寒酸了。 每次实验完成之后需要进行提交和测试&#xff0c;并且要新创一个time.txt文件告知完成时间。…

【Chipyard】修改Gemmini 中PE的数量

实战目标 PE数量扩大到原来4倍 原来配置 tileRows: Int 1,tileColumns: Int 1,meshRows: Int 16,meshColumns: Int 16, 改后配置 tileRows: Int 1,tileColumns: Int 1,meshRows: Int 32,meshColumns: Int 32, 修改配置 1. 修改gemmini的scala配置文件&#xff0c;用…

【论文阅读笔记】高光反射实时渲染新突破:3D Gaussian Splatting with Deferred Reflection 技术解析

文章目录 3D Gaussian Splatting with Deferred ReflectionInfoAbstractIntroductionMethod1.渲染模型2. Loss函数和Normal 梯度3. 训练 RESULTS AND EVALUATION1.和基线的比较 Ablation StudyLimitations总结思考 3D Gaussian Splatting with Deferred Reflection Info 会议 …

数据结构-为什么双指针法可以用来解决环形链表?-使用O(1)的空间复杂度去解决环形链表的思路

环形链表 前言一、环形链表二、代码实现三、证明当fast一次走两步&#xff0c;slow一次走一步时&#xff0c;相遇情况当fast一次走三步&#xff0c;slow一次走一步时&#xff0c;相遇情况当fast一次走四步&#xff0c;slow一次走一步时&#xff0c;相遇情况第一种&#xff1a;N…

医疗行业网络安全的综合防护策略

随着数字医疗的不断发展&#xff0c;医疗行业面临着前所未有的网络安全挑战。患者的健康信息、财务数据以及医疗服务的连续性&#xff0c;均受到潜在网络攻击的威胁。为了保护这些敏感信息&#xff0c;医疗机构必须实施全面的网络安全策略&#xff0c;确保数据的安全性和系统的…

AI常用工具指南

引言 今天晚上听了一个公开课程&#xff0c;讲述了在人工智能技术爆发式增长的今天&#xff0c;AI工具已渗透到内容创作的各个环节。感受颇深&#xff0c;引用大都督的一句名言“既然我们不能阻挡AI的脚步&#xff0c;那我们就躬身入局&#xff0c;深入理解AI底层&#xff0c;…