[论文解读] A Novel Symmetric Key Cryptographic Technique at Bit Level Based on Spiral Matrix Concept

Manas Paul, Jyotsna Kumar Mandal|arXiv (Cornell University)|May 3, 2013

DNA and Biological Computing参考文献 6被引用 9

一句话总结

本文提出SMBBOT，一种新颖的对称密钥位级别加密技术，利用螺旋矩阵遍历对二进制数据进行混淆与转换。该方法将明文处理为可变长度的位块，通过螺旋顺序将位映射为方形矩阵，再通过对2×2子矩阵按列提取实现位置换，最终生成密文；解密过程通过会话密钥（由块长度和块数导出）反向执行，其安全性与性能在与TDES和AES的对比中表现优异。

ABSTRACT

In this paper, we propose a session based bit level symmetric key cryptographic technique and it is termed as Spiral Matrix Based Bit Orientation Technique (SMBBOT). SMBBOT consider the input plain text as binary bit stream. During encryption this stream is chopped into manageable sized blocks with variable lengths. Bits of these blocks are taken from MSB to LSB to fit into a square matrix of suitable order following the concept of Spiral matrix. This square matrix splits into 2x2 sub-matrices. Bits are taken column-wise from all 2x2 sub-matrices to form the encrypted binary string. Cipher text is generated from this encrypted binary string. Combination of values of block length and no. of blocks of a session generates the session key for SMBBOT. For decryption the cipher text is considered as binary bit string. Processing the session key information, this binary string is broken down into predefined blocks. Bits of these blocks are taken from MSB to LSB to fit column-wise into 2x2 square matrices. Using these sub-matrices a single square matrix with suitable order is formed. The decrypted binary string is formed after taking the bits from the square matrix following the reverse concept of Spiral Matrix. The plain text is regenerated from decrypted binary string. A comparison of SMBBOT with existing and industrially accepted TDES and AES has been done.

研究动机与目标

• 设计一种新型的对称密钥密码技术，以实现更高级别的数据安全。
• 利用螺旋矩阵概念引入非线性位置换，以增强扩散效果。
• 开发一种基于会话的密钥生成机制，利用块长度和块数生成密钥。
• 确保解密过程中可逆性，并准确恢复原始明文。
• 评估SMBBOT在安全性与效率方面相对于TDES和AES等标准算法的表现。

提出的方法

• 将明文转换为二进制位流，并划分为可变大小的块。
• 将每个块中的位按螺旋顺序排列成方形矩阵，从最外层开始，逐步向内进行。
• 将方形矩阵划分为2×2子矩阵，并从每个子矩阵中按列提取位，形成加密后的位串。
• 会话密钥由该会话中使用的块长度和块数组合生成。
• 解密时，使用会话密钥将密文重新组装为块，并将位按列重新组装为2×2子矩阵。
• 通过反向螺旋顺序遍历重构的方形矩阵，恢复原始明文。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过螺旋矩阵遍历实现的位级别置换，提升对称加密中的密码学扩散性？
• RQ2 基于块大小和块数生成的会话密钥，是否能在不增加计算开销的前提下提升密钥多样性？
• RQ3 SMBBOT的安全强度与TDES和AES等工业标准算法相比如何？
• RQ4 可变块长度对加密过程的鲁棒性与效率有何影响？
• RQ5 所提出的方法是否具备可逆性，并能准确从密文重建原始明文？

主要发现

• SMBBOT通过螺旋矩阵遍历与子矩阵按列提取，实现了强大的位级别扩散。
• 会话密钥动态地由块长度和块数生成，提升了密钥的不可预测性。
• 通过解密过程中的反向螺旋遍历，确保了明文的准确恢复。
• 与TDES和AES相比，该技术在安全性和性能方面表现出竞争力。
• 使用可变块大小可灵活高效地处理不同类型和大小的数据。
• 加密与解密过程在数学上可逆，确保了数据完整性。