CAST-128加密算法

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本备忘录为Internet社区提供信息，但没有定义任何类型的Internet标准。本备忘录的
发布没有限制。
摘要
Internet社区需要一种不受限制的加密算法，这种算法的密码长度应该答应在较大范围
内变动，以便用于各种不同的加密应用程序和协议中提供安全性。
本文档描述了一种已经存在的算法，可以满足这些要求。内容包括：密码和密钥安排算
法（第二节）的描述，置换箱（附录A）以及一组测试向量（附录B）。
目录
1 简介 1
2 算法的描述 2
2.1 循环密钥对 2
2.2 不同的循环 2
2.3 置换箱（SubstitutionBoxes） 3
2.4 密钥表 3
2.4.1.掩码子钥与旋转子钥 4
2.5 可变的密钥长度 5
2.6 CAST5对象标识符 5
2.7 讨论 6
3 知识产权的问题 6
4 安全性的问题 6
5 参考 6
6 作者地址 7
7 附录A置换箱（S-Boxes） 7
8 附录B.测试向量 13
1 简介
本文档描述了CAST-128加密算法，这是一种类似于DES的置换组合网路
（Substitution-PermutationNetwork，SPN）加密系统，对于微分密码分析、线性密码分析、
密码相关分析具有较好的反抗力。这种加密还有其他的几个理想的特点，包括雪崩、严格的
雪崩标准（SAC）、位独立标准（BIC）、没有互补属性也不存在软弱或者半软弱的密钥。因
此对于整个Internet社区——要求密码强壮、轻易获取的加密算法——而言，这是一种能够
满足一般应用的很好的选择。
Adams[Adams]具体地讨论了CAST设计过程，对于这种算法的分析也可以在网上找到
（比如，[Web1]或[Web2]）。
2 算法的描述
CAST-128属于称为Feistel加密的一类加密算法，因此所有的操作都类似于数据加密标
准（DES）。完整的加密算法分下面四步给出。
输入：明文m1...m64；密钥K=k1...k128
输出：密文c1...c64
1）（密钥表）从K计算出16对子钥（Kmi,Kri）（参见2.1到2.4节）；
2）(L0,R0)<--(m1...m64)（把明文分为左右两半，L0=m1…m32，R0=m33…m64）；
3）（循环16次）对于i从1到16，按下述方法计算Li和Ri：
Li=Ri-1;
Ri=Li-1^f(Ri-1,Kmi,Kri),其中f在第2.2节中定义。（f根据i的不同，可以是
Type1、Type2或者Type3）
4）c1...c64<--(R16,L16)（交换最终得到的L16和R16并连接在一起构成密文。）
解密算法与上述加密算法一致，只不过循环（因此还有子钥对）是按照相反的顺序从
（R16，L16）计算出（L0，R0）。
可以使用附录B中的测试向量验证该算法的正确性。
2.1 循环密钥对
CAST-128在每次循环中使用以对子钥：32位量Km作为“掩码”，5位量Kr用作“旋
转码”。
2.2 不同的循环
CAST-128使用三种不同的循环函数，如下所示（其中“D”是输入函数f的数据，“Ia”
到“Id”分别表示I中从高到低的4个字节）。注重“+”和“-”是以2**32为模的加减法，
“^”是位异或，“<<<”表示循环左移操作。
Type1:I=((Kmi+D)<<<Kri)
f=((S1[Ia]^S2[Ib])-S3[Ic])+S4[Id]
Type2:I=((Kmi^D)<<<Kri)
f=((S1[Ia]-S2[Ib])+S3[Ic])^S4[Id]
Type3:I=((Kmi-D)<<<Kri)
f=((S1[Ia]+S2[Ib])^S3[Ic])-S4[Id]
循环1、4、7、10、13和16使用f函数Type1；
循环2、5、8、11和14使用f函数Type2；
循环3、6、9、12和15使用f函数Type3。
2.3 置换箱（SubstitutionBoxes）
CAST-128使用8个置换箱：置换箱（s-box）S1、S2、S3和S4是循环置换箱，S5、S6、
S7和S8是密钥表置换箱。尽管8个置换箱总共需要8K字节的内存，但是要注重在实际加
密/解密过程中只需要4K字节，因为子钥的产生通常在输入数据之前就完成了。
置换箱S1-S8的内容参见附录A。
2.4 密钥表
假设128位的密钥是x0x1x2x3x4x5x6x7x8x9xAxBxCxDxExF，其中x0是最高位的字节，
xF是最低位的字节。
令z0…zF是中间（临时）字节。
令S[i]表示置换箱i，“^”代表异或加。
按照下述公式从密钥x0x1x2x3x4x5x6x7x8x9xAxBxCxDxExF生成子钥：
z0z1z2z3=x0x1x2x3^S5[xD]^S6[xF]^S7[xC]^S8[xE]^S7[x8]
z4z5z6z7=x8x9xAxB^S5[z0]^S6[z2]^S7[z1]^S8[z3]^S8[xA]
z8z9zAzB=xCxDxExF^S5[z7]^S6[z6]^S7[z5]^S8[z4]^S5[x9]
zCzDzEzF=x4x5x6x7^S5[zA]^S6[z9]^S7[zB]^S8[z8]^S6[xB]
K1=S5[z8]^S6[z9]^S7[z7]^S8[z6]^S5[z2]
K2=S5[zA]^S6[zB]^S7[z5]^S8[z4]^S6[z6]
K3=S5[zC]^S6[zD]^S7[z3]^S8[z2]^S7[z9]
K4=S5[zE]^S6[zF]^S7[z1]^S8[z0]^S8[zC]
x0x1x2x3=z8z9zAzB^S5[z5]^S6[z7]^S7[z4]^S8[z6]^S7[z0]
x4x5x6x7=z0z1z2z3^S5[x0]^S6[x2]^S7[x1]^S8[x3]^S8[z2]
x8x9xAxB=z4z5z6z7^S5[x7]^S6[x6]^S7[x5]^S8[x4]^S5[z1]
xCxDxExF=zCzDzEzF^S5[xA]^S6[x9]^S7[xB]^S8[x8]^S6[z3]
K5=S5[x3]^S6[x2]^S7[xC]^S8[xD]^S5[x8]
K6=S5[x1]^S6[x0]^S7[xE]^S8[xF]^S6[xD]
K7=S5[x7]^S6[x6]^S7[x8]^S8[x9]^S7[x3]
K8=S5[x5]^S6[x4]^S7[xA]^S8[xB]^S8[x7]
z0z1z2z3=x0x1x2x3^S5[xD]^S6[xF]^S7[xC]^S8[xE]^S7[x8]
z4z5z6z7=x8x9xAxB^S5[z0]^S6[z2]^S7[z1]^S8[z3]^S8[xA]
z8z9zAzB=xCxDxExF^S5[z7]^S6[z6]^S7[z5]^S8[z4]^S5[x9]
zCzDzEzF=x4x5x6x7^S5[zA]^S6[z9]^S7[zB]^S8[z8]^S6[xB]
K9=S5[z3]^S6[z2]^S7[zC]^S8[zD]^S5[z9]
K10=S5[z1]^S6[z0]^S7[zE]^S8[zF]^S6[zC]
K11=S5[z7]^S6[z6]^S7[z8]^S8[z9]^S7[z2]
K12=S5[z5]^S6[z4]^S7[zA]^S8[zB]^S8[z6]
x0x1x2x3=z8z9zAzB^S5[z5]^S6[z7]^S7[z4]^S8[z6]^S7[z0]
x4x5x6x7=z0z1z2z3^S5[x0]^S6[x2]^S7[x1]^S8[x3]^S8[z2]
x8x9xAxB=z4z5z6z7^S5[x7]^S6[x6]^S7[x5]^S8[x4]^S5[z1]
xCxDxExF=zCzDzEzF^S5[xA]^S6[x9]^S7[xB]^S8[x8]^S6[z3]
K13=S5[x8]^S6[x9]^S7[x7]^S8[x6]^S5[x3]
K14=S5[xA]^S6[xB]^S7[x5]^S8[x4]^S6[x7]
K15=S5[xC]^S6[xD]^S7[x3]^S8[x2]^S7[x8]
K16=S5[xE]^S6[xF]^S7[x1]^S8[x0]^S8[xD]
[剩下的一半与上面给出的一样，从最后生成的x0..xF产生密钥K17-K32。]
z0z1z2z3=x0x1x2x3^S5[xD]^S6[xF]^S7[xC]^S8[xE]^S7[x8]
z4z5z6z7=x8x9xAxB^S5[z0]^S6[z2]^S7[z1]^S8[z3]^S8[xA]
z8z9zAzB=xCxDxExF^S5[z7]^S6[z6]^S7[z5]^S8[z4]^S5[x9]
zCzDzEzF=x4x5x6x7^S5[zA]^S6[z9]^S7[zB]^S8[z8]^S6[xB]
K17=S5[z8]^S6[z9]^S7[z7]^S8[z6]^S5[z2]
K18=S5[zA]^S6[zB]^S7[z5]^S8[z4]^S6[z6]
K19=S5[zC]^S6[zD]^S7[z3]^S8[z2]^S7[z9]
K20=S5[zE]^S6[zF]^S7[z1]^S8[z0]^S8[zC]
x0x1x2x3=z8z9zAzB^S5[z5]^S6[z7]^S7[z4]^S8[z6]^S7[z0]
x4x5x6x7=z0z1z2z3^S5[x0]^S6[x2]^S7[x1]^S8[x3]^S8[z2]
x8x9xAxB=z4z5z6z7^S5[x7]^S6[x6]^S7[x5]^S8[x4]^S5[z1]
xCxDxExF=zCzDzEzF^S5[xA]^S6[x9]^S7[xB]^S8[x8]^S6[z3]
K21=S5[x3]^S6[x2]^S7[xC]^S8[xD]^S5[x8]
K22=S5[x1]^S6[x0]^S7[xE]^S8[xF]^S6[xD]
K23=S5[x7]^S6[x6]^S7[x8]^S8[x9]^S7[x3]
K24=S5[x5]^S6[x4]^S7[xA]^S8[xB]^S8[x7]
z0z1z2z3=x0x1x2x3^S5[xD]^S6[xF]^S7[xC]^S8[xE]^S7[x8]
z4z5z6z7=x8x9xAxB^S5[z0]^S6[z2]^S7[z1]^S8[z3]^S8[xA]
z8z9zAzB=xCxDxExF^S5[z7]^S6[z6]^S7[z5]^S8[z4]^S5[x9]
zCzDzEzF=x4x5x6x7^S5[zA]^S6[z9]^S7[zB]^S8[z8]^S6[xB]
K25=S5[z3]^S6[z2]^S7[zC]^S8[zD]^S5[z9]
K26=S5[z1]^S6[z0]^S7[zE]^S8[zF]^S6[zC]
K27=S5[z7]^S6[z6]^S7[z8]^S8[z9]^S7[z2]
K28=S5[z5]^S6[z4]^S7[zA]^S8[zB]^S8[z6]
x0x1x2x3=z8z9zAzB^S5[z5]^S6[z7]^S7[z4]^S8[z6]^S7[z0]
x4x5x6x7=z0z1z2z3^S5[x0]^S6[x2]^S7[x1]^S8[x3]^S8[z2]
x8x9xAxB=z4z5z6z7^S5[x7]^S6[x6]^S7[x5]^S8[x4]^S5[z1]
xCxDxExF=zCzDzEzF^S5[xA]^S6[x9]^S7[xB]^S8[x8]^S6[z3]
K29=S5[x8]^S6[x9]^S7[x7]^S8[x6]^S5[x3]
K30=S5[xA]^S6[xB]^S7[x5]^S8[x4]^S6[x7]
K31=S5[xC]^S6[xD]^S7[x3]^S8[x2]^S7[x8]
K32=S5[xE]^S6[xF]^S7[x1]^S8[x0]^S8[xD]
2.4.1.掩码子钥与旋转子钥
令Km1,...,Km16为32位的掩码子钥（每次循环使用一个）；
令Kr1,…,Kr16为32位的旋转子钥（每次循环使用一个，只是用最低的5位）；
for(i=1;i<=16;i++){Kmi=Ki;Kri=K16+i;}
2.5 可变的密钥长度
CAST-128加密算法被设计为密码长度是可变的，从40位到128位，每次递增8位（就
是说，密码长度可以是40、48、56、64…112、120、128位）。对于不同的密码长度，分别
采用不同的规范：
1） 密码长度从40到80（含80），按照上述算法操作，但是采用12循环而不是16。
2） 假如密码长度大于80位，采用完整的16次循环。
3） 假如密码长度小于128位，则在最低位补0直到128位（因为CAST-128密钥表假
定输入的密码是128位的。）
尽管CAST-128支持上述12种长度的密码，但在典型的应用中发现40、64、80和128
位是最有用的密码长度。因此，只要支持这四种长度的子集对于大多数应用就足够了。
为了避免在使用不同的密码长度操作时发生混淆，CAST-128被认为与名CAST5是同
义的，这样在后面加上密码长度就不会发生歧义了。这样，比方说使用40位密码的CAST-128
就被表示为CAST5-40；假如明确地使用128位密码，应该使用名称CAST5-128。
2.6 CAST5对象标识符
假如需要在协议中的算法协商中，或者其它需要使用对象标识符的上下文中使用
CAST，可以使用以下定义的OID。
algorithmsOBJECTIDENTIFIER::=
{iso(1)memberBody(2)usa(840)nt(113533)nsn(7)algorithms(66)}
cast5CBCOBJECTIDENTIFIER::={algorithmscast5CBC(10)}
Parameters::=SEQUENCE{
ivOCTETSTRINGDEFAULT0,--Initializationvector
keyLengthINTEGER--Keylength,inbits
}
注重：iv是可选的，默认为全0。在编码后，假如使用全0的iv，那么该参数不
应该出现在参数中。解码后，假如iv没有出现在参数列表中，应该解释为该参数全部
字节都是0。
下面是使用CAST-128对称块密码算法的CBC模式的加密和解密。
cast5MACOBJECTIDENTIFIER::={algorithmscast5MAC(11)}
Parameters::=SEQUENCE{
macLengthINTEGER,--MAClength,inbits
keyLengthINTEGER--Keylength,inbits
}
下面是使用CAST-128对称块密码算法的消息验证。
pbeWithMD5AndCast5CBCOBJECTIDENTIFIER::=
{algorithmspbeWithMD5AndCAST5-CBC(12)}
Parameters::=SEQUENCE{
saltOCTETSTRING,
iterationCountINTEGER,--Totalnumberofhashiterations
keyLengthINTEGER--Keylength,inbits
}
注重：IV是从哈希过程派生的，因此不必放在参数中。
这是以CBC模式使用MD5和CAST-128对称块密码的基于密码的加密和解密。关于
PBE计算的具体资料参见PKCS#5（它使用了DES密码）。
2.7 讨论
CAST-128是一种12或16循环的Feistel密码，块长度是64位，密码长度最大128位；
它使用旋转实现对线性和微分分析的内在免疫性；在循环函数中混合使用XOR、模为2**32
的加减法；在加密过程中使用三种不同的循环函数。最后，循环函数中使用的8x32置换箱，
每一个最小的非线性为74，而且不同的分配表中最大项是2。
按照其密码长度（128）而言，这种加密是很强大的，而且具有很好的加密/解密效率，
在150MHz的奔腾处理器上每秒可以处理3.3M字节。
3 知识产权的问题
本文档描述的CAST-128加密算法可以在世界范围内免费用于商业和非商业用途。
4 安全性的问题
本备忘录完全是关于安全性的，它描述了一种算法专门用于加密的目的。
5 参考
[Adams]Adams,C.,"ConstrUCtingSymmetricCiphersusingtheCAST
DesignProcedure",Designs,Codes,andCryptography(toappear).
[Web1]"ConstructingSymmetricCiphersusingtheCASTDesign
Procedure"(identicalto[Adams]butavailableon-line)and"CAST
DesignProcedureAddendum",http://www.entrust.com/library.htm.
[Web2]"CASTEncryptionAlgorithmRelatedPublications",
http://adonis.ee.queensu.ca:8000/cast/cast.Html.
6 作者地址
CarlisleAdams
EntrustTechnologies
750HeronRoad,
Ottawa,Canada,K1V1A7
E-mail:cadams@entrust.com
Phone:+1.613.763.9008
7 附录A置换箱（S-Boxes）
S-BoxS1
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1a69e78302cc4843a2f7c579429ef47d427b169c5ac9f049dd8f0f005c8165bf
S-BoxS2
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8 附录B.测试向量
该附录为本文描述的CAST-128加密提供测试向量。
B.1.单独的明文-密码-密文集
为了保证算法的正确实现，可以使用下面的测试向量（使用十六进制符号表示）进行验
证。
128-bitkey=0123456712345678234567893456789A
plaintext=0123456789ABCDEF
ciphertext=238B4FE5847E44B2
80-bitkey=01234567123456782345
=01234567123456782345000000000000
plaintext=0123456789ABCDEF
ciphertext=EB6A711A2C02271B
40-bitkey=0123456712
=01234567120000000000000000000000
plaintext=0123456789ABCDEF
ciphertext=7AC816D16E9B302E
B.2.完整的维护性测试
CAST-128的维护性测试被定义为验证实现的正确性。它使用如下的伪代码表示，其中
a和b是128位的向量，aL和bL是a左右两部分，bL和bR是b的左右两部分，enrypt(d,k)
是块对于密码k以ECB模式的加密。
Initiala=0123456712345678234567893456789A(hex)
Initialb=0123456712345678234567893456789A(hex)
do1,000,000times
{
aL=encrypt(aL,b)
aR=encrypt(aR,b)
bL=encrypt(bL,a)
bR=encrypt(bR,a)
}
Verifya==EEA9D0A249FD3BA6B3436FB89D6DCA92(hex)
Verifyb==B2C95EB00C31AD7180AC05B8E83D696E(hex)