109TTU網路安全期末作業，設計Feistel結構的加解密演算法 星爆區塊加密演算法、スターバストブロックサイファーアルゴリズム 加密過程中需加入與個人資料，除去個人資料其餘內容主要以星爆或桐人有關。
- 使用Feistel結構的演算法
- Block size是128bits
- 每個Block執行16 Round
- 使用的key不定長度，會做運算得到16個64bits的roundkey
- 使用S-Box與Permutation，參考自DES為符合混淆與擴散
- 用PKCS#7作padding
- 每次讀取128bits(一個block)
- block拆分為L與R兩半，將R(低的64bits)丟入Feistel Function中與round key進行運算
- 將運算結果與L(高的64bits)與2的結果做XOR
- 將左右兩半bits交換，如果是最後1 round就不交換
- 重複以上四個動作，共進行16次
- 輸入64bits與round key做XOR
- 分拆為兩個32bits，放入該round對應到的兩個sbox做置換
- 將置換完的值放入定義好的G函數中，與兩個常數做運算。共執行三次G函數運算
- 經由Permutation box將資料的bit調換位置
sbox是用48763^48763^的最高位開始排下來的hex值，共取8個sbox。，共取2048個byte。係使用這個網站計算運算出結果。
16個round每次都選用不同的box，選用理由是桐人對青眼惡魔使用星爆氣流斬雙手動作決定(16連擊對應到16個round)。
雙手動作如sbox選取依據md所寫。
因此每個round對應的sbox：
| round | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 左 | 3 | 3 | 3 | 6 | 5 | 0 | 5 | 1 | 7 | 4 | 6 | 6 | 1 | 2 | 3 | 0 |
| 右 | 5 | 3 | 3 | 7 | 4 | 0 | 6 | 1 | 4 | 7 | 2 | 0 | 3 | 2 | 3 | 0 |
將half block的64bits，再拆為兩半32bits，分別將32bit丟入上方表格對應的每round的兩個sbox取出對應值。
下面是G函數的結構，Я為將bit做反轉的操作
- 輸入64bit的資料XOR資料與輸入的第一個常數
- 對1算完的值做bit的反轉
- XOR反轉後的值與第二個常數
- 輸出交換高低兩個32bits後的值
Feistel Function的置換表 第一列前五個值48763是星爆氣流斬 第一欄(idx=0,8,16...)是學號:410612011
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 4 | 8 | 7 | 6 | 3 | 14 | 16 | 12 |
| 10 | 40 | 51 | 57 | 59 | 60 | 29 | 42 |
| 61 | 2 | 15 | 1 | 25 | 31 | 0 | 22 |
| 20 | 54 | 50 | 48 | 58 | 55 | 18 | 36 |
| 11 | 9 | 13 | 26 | 24 | 30 | 35 | 43 |
| 63 | 33 | 46 | 32 | 56 | 62 | 41 | 53 |
| 49 | 23 | 19 | 17 | 27 | 21 | 28 | 5 |
| 44 | 39 | 38 | 45 | 34 | 47 | 52 | 37 |
設計一個可以將不定長度的key產生round key的方法(用hash的方式)。 先將key讀取進來，將其轉為byte vector並padding。 padding的方法如MD5與SHA2一樣，先padding 100...00足到448bit，再補上64bit的原始字串的長度數值，使這個vector的bit數能被512整除。 hash的過程如下圖，跟MD5結構一樣，但是我將部分F的函數換掉，把左旋的函數改成右旋。
將128bits分為4個32bits:a, b, c, d。 將a, b, c, d的初始值設為：
| 1 | a | b | c | d |
|---|---|---|---|---|
| 初始值 | 0x19990423 | 0x20081007 | 0x5ce34160 | 0xa1f04b47 |
| 找值原因 | 我的生日 | 桐人生日 | C87取63最高4byte | C87取63次高4byte |
每次對block進行運算會跑64round，分成4組16次的迴圈。
Mi表示32bits的輸入資料，i從0到15，共512bits(一個block大小)。
| round | function |
|---|---|
| 0~15 | (a>>>2)^(a>>>13)^(a>>>22) |
| 16~31 | (d>>>6)^(d>>>11)^(d>>>25) |
| 32~47 | b^c^d |
| 48~63 | c ^ (b | (~d)) + (a & b) ^ ((~a) & c) |
完整生成round key的結構圖：
加密演算法的IP與IP^-1^借用DES的IP，但把原本最後8bit的值跟48763(48, 7, 63)與410612011(4, 10, 61, 20, 11)這兩組值能組成的8個值交換位置，如下表。
| 57 | 49 | 41 | 33 | 25 | 17 | 9 | 1 |
| 59 | 51 | 43 | 35 | 27 | 19 | 6 | 3 |
| 22 | 53 | 45 | 37 | 29 | 21 | 13 | 5 |
| 46 | 55 | 47 | 39 | 31 | 23 | 15 | 54 |
| 56 | 62 | 40 | 32 | 24 | 16 | 8 | 0 |
| 58 | 50 | 42 | 34 | 26 | 18 | 30 | 2 |
| 60 | 52 | 44 | 36 | 28 | 14 | 12 | 38 |
| 48 | 7 | 63 | 4 | 10 | 61 | 20 | 11 |
加密程式提供基本的ECB與CBC模式。CBC的模式如Wiki的方式，但在IV要與資料做XOR時，額外XOR了經由hash生成的key[0]與key[1]，希望比固定的IV值來得好的效果。 InitialVectorL = 0x9E3779B97F4A7C15 =>黃金比例小數後前16個hex InitialVectorR = 0x93C467E37DB0C7A4 =>尤拉數小數後前16個hex
| Flag | 說明 |
|---|---|
| -c,--cbc | 以CBC模式加解密，不輸入代表使用ECB |
| -k | 加解密用的密鑰，預設為I4B53-410612011 |
| -I,--input | Input的filename，解密時一定要使用-i參數。加密時可用-t |
| -t,--text | 以字串進行加密，-t附帶的參數即是明文字串 |
| -o,--output | Output的filename，若進行加密filename預設為plain.txt，若進行解密filename預設為cipher.bin |
| -v,--verbose | 輸出較多資訊，會輸出加(解)密花費時間與round key產生花費的時間 |
使用Visual Studio 2019作為IDE進行開發 C++的版本為MSVC C++17(因argparse函式庫必須在C++17規範使用)