[发明专利]用于对数据编码的方法和系统

说明书

本申请涉及用于对数据编码的方法和系统。本申请公开了用于通过针对任意输入和输出长度提供数据扩展和压缩功能的系统和方法。将输入划分为顺序比特组。针对每组输入比特，从秘密密钥材料选择子密钥。异或门的树在子密钥之间应用异或运算以生成输出。异或门设置在层中并且层内的所有异或门在大约相同的时间切换。如果输入长度大于或等于输出长度，则执行压缩功能，并且如果输入长度小于或等于输出长度，则执行扩展功能。输入和输出之间不存在统计相关性。可向输出应用非线性函数，诸如可逆S盒、不可逆S盒以及一系列的旋转‑加‑异或运算。

技术领域

本公开总体涉及数据加密和认证，并且具体地涉及用于生成任意数据扩展和压缩功能的改进的系统和方法。

背景技术

航空业在很大程度上取决于关键信息技术(IT)基础设施的可靠运行。像许多其他行业一样，航空业面临着为这样的IT基础设施提供足够的安全性并减轻任何网络事件影响的挑战。网络事件的示例包括危害或试图危害飞机网络(包括其数据连接、数据传输和计算系统)运行的恶意或可疑事件。

在密码学领域中，存在许多已知的数据扩展和压缩功能的应用，其具有固定但不同的输入和输出长度，诸如当输入被充分混合并然后增大或减小到固定输出大小时。数据扩展功能的已知应用的示例是用于存储器加密、安全通信中的密钥滚动以及长数据路径上的不平衡Feistel密码术的密钥发生器。数据压缩功能的已知应用的示例是安全散列函数的构建块、熵源的随机放大和白化，以及短数据路径上的不平衡Feistel密码术。

数据扩展和压缩功能的一些期望属性是：(1)每个输入比特影响每个输出比特；(2)对输入简单的改变导致大约一半的输出比特翻转(平均)；以及(3)这样的简单的改变根据标准统计随机性测试在相应的输出值之间不产生明显的相关性。简单改变的示例可以是同时翻转几个比特(诸如小于约25％)，或者使用小于约十个指令长的计算机程序对数据进行转换。

已知的扩展和压缩功能可以取决于大量的秘密密钥材料，这使得它们的行为对于不能访问秘密密钥材料的观察者而言是不可预测的。这些类型的信息安全应用通常要求大量的操作时间并消耗大量的功率。这样的安全应用程序通常也缺乏严格的加密要求，特别是当扩展/压缩功能的输入和输出中的一个或两个对于观察者是隐藏的时。然而，仍然存在重大威胁，即攻击者仍然可以收集旁道(side channel)上泄漏的关于功能的计算工作的信息。特别地，在正在处理数据的电子设备的操作期间，关于秘密密钥或敏感数据的一些信息可在旁道(意外的信息传播的物理源)中泄漏，包括关于响应时间的变化、依赖于输入数据和秘密密钥的功率使用的波动，和/或超声波或电磁波辐射的信息。这可导致秘密密钥材料的发现或使功能在一定程度上可预测，这在IT安全应用程序中造成重大风险。

除了旁道泄漏之外，已知的扩展和压缩功能(诸如密码术和密码散列函数)对于不可修改的(固定的)输入和输出缓冲器大小来说不灵活，并且非常慢，以及消耗大量的功率/能量。此外，这样的现有技术系统提供固定的安全级别，即使商业和军事航空中的一些应用可需要与现有解决方案不同的安全级别或更好的性能。

因此，期望具有用于任意扩展和压缩数据的改进的系统和方法，当在电子设备中实现时，所述系统和方法快速、安全，并且减少旁道泄漏而不显著地增加处理时间、系统复杂性、电子电路的大小或电力使用。

发明内容

鉴于上述背景，本公开的示例实施方式提供用于对数据编码的系统和方法。方法包括以下步骤：接收具有第一长度的输入数据比特的输入；将输入数据比特划分为输入数据比特组(每组包括至少一个比特)；针对输入数据比特组从密钥材料选择子密钥，使得一个子密钥被选择用于每组输入数据比特；以及在子密钥之间应用至少一个异或运算，以生成具有第二长度的输入数据比特的输出。系统包括具有第一长度的输入数据比特的输入；从输入数据比特划分的输入数据比特组(每组包括至少一个比特)；针对输入数据比特组中的每个从密钥材料选择的子密钥，使得一个子密钥与每组输入数据比特对应；以及具有第二长度的输出数据比特的输出，通过在子密钥之间应用至少一个异或运算生成所述输出。