IDEA加密解密算法的设计与实现策略探究

摘要：随着社会不断的进步和发展，网络的应用越来越广泛，如何解决网络安全问题显得日益重要。解决网络安全问题的关键就是信息和数据传输的安全性，而IDEA加密解密算法在保证信息传输安全性方面起着重要的作用，因此，文章将简单介绍密码学的基础知识，并对IDEA加密解密算法进行概述，主要研究了IDEA加密解密算法设计一些改进的建议和计算方法，使得该算法可以更加有效地运用在生活中，提高数据传输的安全性，取得该算法的经济效益和社会效益。

关键词：IDEA；加密解密；改进

国际数据加密算法IDEA（International DataEncryption Algorithm）密钥长度128位，密钥空间是2128，属于对称加密算法的一种，该算法具有保密性强、加密速度快的特点。1990年，曾被瑞士联邦技术学院的来学嘉X.J.Lai和Massey建议称为PES，1992年Lai和Massey提高了该算法的抗差分分析能力，并改成位IDEA。IDEA逐渐代替了DES，并被誉为“好的分组密码”，应用在许多行业和产品中。

1 密码基础知识

1.1 密码学的基本概念

密码学的基本概念主要包括5个部分：明文（没有加密数据，也就是算法的输入）、密文（加密后的数据，即算法的输出）、加密算法（从明文到密文的转换）、解密算法（从密文到明文的转换）、密钥（加密解密算法的输入，独立于明文密文及算法）。

一个完整的密码体制通常包括5个部分：明文空间（所有明文的集合）、密文空间（所有密文的集合）、密钥空间（所有密钥的集合）、加密算法（加密密钥控制的加密运算）、解密算法（解密密钥控制的解密运算）。

1.2 密码体制

1.2.1 古典密码学

在古典密码学中，主要分为单表密码体制和多表密码体制2个部分，加密解密算法一般运用加密表一一对应的关系来进行，根据使用的表的个数区分。因此这种加密解密的算法具有比较简便、容易理解、安全性较低的特点，它的规律性和线性较强，容易破译，该算法为现代密码学奠定了基础，是现代密码学的雏形。

1.2.2 公钥密码

公钥密码（非对称密码）的主要内容就是加密密钥是公开的，安全性主要是数学上的难题。该加密解密算法主要是根据单项函数和单向限门函数的设计，在该算法中运算是不可以逆转的，并且包括2个密钥，即公钥（可以向大家公开的）和私钥（只有拥有者可以知道）。该体制具有加密密钥可以公开的优点，但是也存在运算速度较慢的问题，因此，只有一些安全级别较高的信息才可以用公钥密码体制加密。

1.2.3 分组密码

分组密码（对称密码或秘密钥密码），目前广泛地应用在各个方面的密码体制，典型的分组密码有DES、IDEA、NESSIE、韩国标准ARIA，本文将主要探讨IDEA加密解密算法。该体制的基本原理就是：先将加密明文分成长度相同的分组，不足的比特用“0”或“1”补，不同的算法有不同的补足方法，然后对长度相同的分组的加密数据进行结合就可以得到密文。这种体制具有安全性高、运算速度较快、易于硬件实现的特点。

1.2.4 序列密码

序列密码（流密码）常用于特殊场合，比如军事安全和国际外交等安全级别较高的领域，它属于分组密码的一类，但与分组密码又有一些不同。该体制的基本原理是：用一个随机的密钥序列和明文序列叠加起来产生密文，并用同一个随机序列和密文序列叠加起来恢复密文，所有的密钥都是随机序列。该体制被誉为“一次一密”，因此攻击者破译起来较难。序列密码转换速度快，传播粗无低，易于硬件实现，但也存在一些缺陷，比如扩散都低、插入的不敏感性、密钥管理困难等问题。

2 IDEA加密解密算法的概述

2.1 IDEA加密算法的特性与密码强度的关系

第一，分组长度。首先，如果分组的长度够强，对于阻止统计分析越有利，阻止破坏者利用一些分组比其他分组出现机率频繁的现象。其次，加密函数的分组的增大则该函数的复杂性指数也会随之增大，一般情况下，分组大小为64位就足够了。最后，如果想加强算法的强度可以使用密码反馈操作办法，可以进一步加强密码的强度。第二，密钥长度。为了防止被穷举式密钥搜索到，密钥的长度应该够长，并运用128位的密钥长度，保证IDEA在长时间内的安全性。第三，扰乱。密文对密钥的依赖关系越复杂，密文和明文统计特性之间的依赖关系越复杂，这样密码的强度就越强。第四，扩散。每个明文比特和每个密钥比特之间应该相互影响，单个的明文比特扩散到密文比特就会掩盖明文比特的统计性，增加密码的强度。通过循环8次后，有效地提高了扩散性。

2.2 IDEA加密

IDEA加密方案与其他方案的加密一样，加密函数包括64位长度的待加密明文和128位的密钥2个输入。

IDEA总共进行8次循环和1次变换函数。该过程有6个子密钥和额外的4个子密钥输出变换，共52个子密钥从128比特密钥中扩散出。输入64bit的明文数据，并分成X1，X2，X3，X4这4个16bit的子块，将这4个子块进行第l轮的循环输入，一共循环输入8次。每一次循环时，这4个子块相加相乘、相互异或，最后输出密文Y。

2.3 IDEA解密

解密过程和加密结构基本上是一样的，不过是使用不同的子密钥，并将解密密钥扩展，运用加法逆或者乘法逆的方法运算。加密时用的密钥EK，解密时变成DK，同样是输入64bit的数据块，并分成Y1，Y2，Y3，Y4这4个16bit的子块进行循环输入，一共进行8次循环输入。

2.4 IDEA加密解密算法

IDEA加密和解密的算法是相同的，处理的过程中，就是将63bit输入分成16bit的4个子块A，B，C，D，然后进行8次循环，得到最后的输出效果。

2.5 IDEA密钥生成的算法

在密钥生成的算法中，有223个密钥是一个线性因子，有235个是概率为1的环形阶，还有251个可以解非线性布尔等式的密钥是否属于这一部分，如果使用的密钥是这一部分的，就可以找到办法破译程序。这种办法可以针对IDEA的密钥进行线性分析，极大地影响密码的安全性。

2.6 IDEA的实现

IDEA的实现主要包括方便硬件实现和方便软件实现2个部分。在软件实现方面应该遵循2个原则：第一，使用子分组。子分组有8，16，32bit，为了使密码操作方便软件操作，IDEA应该采用16bit的子分组；第二，操作简单方便。加密和解密的程序类似，便于在同一设备上既可以加密又可以解密；密码要求是有规则的模块化结构，以便实现VLSI。

3 IDEA加密解密算法的改进

虽然IDEA的安全性强，计算速度快，但IDEA加密解密算法也有其缺陷，比如存在大量的弱密钥，所以要对IEDA的加密解密算法进行改进。

3.1 IDEA加密算法的改进

可以对加密过程的第2个过程和第3个过程进行改进，改进后的算法和原本的算法差别不大，但是在第3个步骤有所改变。

3.2 IDEA解密算法的改进

IDEA解密算法的改进和加密算法基本上是一样的，主要是改变第3个步骤的算法。当然，与加密算法一样，解密算法改进后所使用的子密钥也会跟着改变，或者使用转换过的加密密钥。而且可以使用求乘法逆元和求加法逆元的方法来导出密钥，对于每一个加密子密钥，该加法逆元也是唯一的。

3.3 改进IDEA密钥生成算法

IDEA加密解密算法的改进主要是针对第2个步骤和第3个步骤的运算，虽然已经具有了较强的攻击性，但是如果密钥生成算法过于简单，就会导致IDEA出现大量的弱密钥。通过置换、循环左移的办法来改进密钥的生成，本文将通过采用置换的方法举例说明，达到混淆的目的，计算出一个不可逆转的种子密钥。

具体的算法根据以下步骤：（1）把128bit的数据分成8个子块。（2）将8个子分组分别进入置换P1，置换出12bit的密钥。（3）把第2步置换的12bit的密钥跟下一个12bit的密钥合成进入置换P2，计算出16bit的子密钥。（4）将第3步循环执行7次，可以计算出7个16bit的子密钥。（5）把8个子分组合成的128bit的密钥K，循环左移25位，执行第2步和第3步，又可以输出8个子密钥。（6）将第5步循环4次，又可以输出32个子密钥。（7）执行第5步输出8个子密钥，将4个子密钥保持，剩下4个丢弃，最后就可以得到需要的52个子密钥了。

该密钥的生成算法改变了原有算法形成密钥之间的线性关系，大大加强了密钥的安全性。

4 结语

在科学技术突飞猛进的同时，人们对计算机技术和数据安全的要求也越来越高，要求对所传输的数据和信息进行加密及解密。因此，本文通过对IDEA解密加密的详细阐述，提出相应的改进措施，提高了密码的安全性，保证了数据传输过程中的安全，从而建立一个安全、可靠、快捷、方便的网络系统，为网络生活乃至其他方方面面提供便利。可以看出，在网络不断发展的今天，信息传输变得不可或缺，在人们日常的网络生活中不仅仅要设置比较复杂的密码，同时更要抵挡密码窃取者的破译，这就更需要不断地研究IDEA加密解密的方法，在原有的基础上改进和创新，使其更有助于网络安全乃至整个社会的和谐发展。