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基于ARX结构的新型序列密码算法FlashLight

FlashLight算法简介

FlashLight算法属于对称加密算法5大分支之一的序列密码算法。它是在Salsa20的基础上进行改变的，相较于Salsa20来说，其每轮的混淆性和扩散性更好，可以更有效地抵抗现有的和未知的密码分析。其核心是一种800比特输入，800比特输出的ARX结构部件，密钥长度分为128比特和256-bit两种规格。

FlashLight算法参数

FlashLight算法主要以Word(32位)为单位来进行处理，每个Word定义为32-bit二进制数。FlashLight算法的核心函数是将一个128-bit(将128比特密钥扩展为256比特) 或者256-bit的密钥(k1，……，k7)，一个128-bit的时间标号(t0，t1，t2，t3)，一个128-bit的初始IV(v0，v1，v2，v3)和9个32-bit的常数(c0，c1，…，c7，c8)转换为一个800-bit的输出。其输入可以用两个5×5矩阵的映射关系来表示，如下图所示：

FlashLight算法初始化

其中9个32位常数(c0，c1，…，c7，c8)如下图所示：

FlashLight算法状态更新

流密码FlashLight的轮函数是RoundFunction，总共进行20轮。经过20轮(“FlashLight”中的20即指轮数)后，得到最终的密钥流。

其中RoundFunction伪代码如下所示：

X=RoundFunction(X)

{

X[5][5]=X[25]

Part1.行变换

FFFFF0(X[0][*])

FFFFF1(X[1][*])

FFFFF2(X[2][*])

FFFFF3(X[3][*])

FFFFF4(X[4][*])

Part2.左对角线变换

X[2][2]=X[2][2]⊕(X[0][0]<<<6)⊕(X[1][1]<<<11)⊕(X[3][3]<<<15)⊕(X[4][4]<<<26)

Part3.列变换

FFFFF0(X[*][0])

FFFFF1(X[*][1])

FFFFF2(X[*][2])

FFFFF3(X[*][3])

FFFFF4(X[*][4]) \\

Part4.右对角线变换

X[2][2]=X[2][2]⊕(X[0][4]<<<13)⊕(X[1][3]<<<18)⊕(X[3][1]<<<10)⊕(X[4][0]<<<21)

}

其中输入和输出均为5个32位字的5个混淆扩散函数(相当于160比特大S盒)FFFFF0，FFFFF1，FFFFF2，FFFFF3，FFFFF4分别如下图所示：

FlashLight算法密钥流生成

记执行20轮的轮变换操作后的状态为S20=(x020，……，x2420)，则输出密钥流为：FlashLight(S0)=S0+S20。设明文为M密文为C，加密过程可表示为：C=M⊕FlashLight(S)，

解密过程为M=C⊕FlashLight(S)。

FlashLight算法总结

FlashLight和Salsa20很类似，主要有三点不同：内部状态矩阵的初始化，轮函数及向量进入轮函数的方式。感兴趣的同学可以参考基于ARX结构的流密码算法Salsa20。FlashLight是一个脱胎于Salsa20的新型序列密码算法，它凭借卓越的软件性能、强抗时序攻击能力和简洁设计，在与AES的竞争中赢得了重要地位。FlashLight仅使用ARX操作，无需复杂的S盒查表，使其算法描述简洁，代码实现紧凑，易于在多种平台上部署。它与Poly1305的组合已成为保护互联网通信的基石之一。