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轻量级密码算法Grain-128a的Python实现

news 来源：原创 2025/6/15 7:02:21

一、Grain-128a算法介绍

Grain-128a是Grain密码家族的重要成员，由瑞典Lund大学的Martin Ågren等人设计。该算法于2011年正式发布，作为Grain-128的增强版本，在保持原有高效特性的基础上，增加了可选的身份认证功能，并针对已知攻击方式进行了安全加固。算法的标准文档下载链接：Grain-128a: A New Version of Grain-128 with Optional Authentication。

从结构上看，Grain-128a采用了典型的LFSR（线性反馈移位寄存器）与NFSR（非线性反馈移位寄存器）组合架构。LFSR部分使用128位状态，反馈多项式为 $f(x) = 1 + x^{32} + x^{47} + x^{58} + x^{90} + x^{121} + x^{128}$ ，确保了长周期性和良好的统计特性。NFSR同样采用128位状态，但其反馈函数包含多个非线性项，包括二次、三次和四次项，大大增强了算法的非线性复杂度。

算法的核心创新之一是其认证机制。当IV的最高有效位(IV0)设置为1时，算法进入认证模式，此时会使用前64个预输出比特中的一部分进行消息认证码(MAC)的计算。这种设计使得Grain-128a能够同时提供加密和认证服务，而硬件实现只需增加少量逻辑门。

二、Python实现

我们的Python实现代码如下，代码完整呈现了Grain-128a算法的核心流程。代码中首先定义了一个Grain128a类，其构造函数接收16字节的密钥和12字节的IV，这符合算法128位密钥和96位IV的设计要求。初始化过程通过_bytes_to_bits方法将字节数据转换为比特列表，便于后续的位操作。

算法的初始化阶段是安全性的关键所在。在256轮初始化过程中，LFSR和NFSR的反馈值都与预输出函数y进行异或，这种设计确保了密钥和IV的充分混合。_get_lfsr_feedback方法实现了LFSR的线性反馈，而_get_nfsr_feedback方法则实现了NFSR的复杂非线性反馈，包含多个AND操作形成的非线性项。

预输出函数h(x)的实现体现在_get_h方法中，它选取特定的寄存器状态位进行非线性组合：包括两个NFSR位与LFSR位的AND操作、两个LFSR位的AND操作，以及一个包含三个变量的非线性项。这种精心设计的布尔函数确保了输出的高非线性度。

密钥流生成阶段，算法持续输出通过_get_y方法计算的比特流。该方法组合了h函数的输出、特定的LFSR位(s93)以及多个NFSR位的线性组合。生成的比特流通过每8位一组转换为字节，形成最终的密钥流。我们提供了两个测试用例：test_case1使用全零的密钥和IV，验证基本功能；test_case2使用特定的测试值，可用于与官方测试向量比对。

class Grain128a:def __init__(self, key, iv):if len(key) != 16:raise ValueError("Key must be 16 bytes (128 bits)")if len(iv) != 12:raise ValueError("IV must be 12 bytes (96 bits)")self.lfsr = self._bytes_to_bits(iv) + [1] * 31 + [0]self.nfsr = self._bytes_to_bits(key)for _ in range(256):y = self._get_y()lfsr_fb = self._get_lfsr_feedback() ^ ynfsr_fb = self._get_nfsr_feedback() ^ yself.lfsr = self.lfsr[1:] + [lfsr_fb]self.nfsr = self.nfsr[1:] + [nfsr_fb]@staticmethoddef _bytes_to_bits(data):bits = []for byte in data:for i in range(8):bits.append((byte >> (7 - i)) & 1)return bitsdef _get_lfsr_feedback(self):s = self.lfsrreturn s[0] ^ s[7] ^ s[38] ^ s[70] ^ s[81] ^ s[96]def _get_nfsr_feedback(self):s = self.lfsrb = self.nfsrb0 = s[0] ^ b[0] ^ b[26] ^ b[56] ^ b[91] ^ b[96]b1 = (b[3] & b[67]) ^ (b[11] & b[13]) ^ (b[17] & b[18]) ^ (b[27] & b[59]) ^ (b[40] & b[48]) ^ (b[61] & b[65]) ^ (b[68] & b[84])b2 = (b[88] & b[92] & b[93] & b[95]) ^ (b[22] & b[24] & b[25]) ^ (b[70] & b[78] & b[82])return b0 ^ b1 ^ b2def _get_h(self):s = self.lfsrb = self.nfsrreturn (b[12] & s[8]) ^ (s[13] & s[20]) ^ (b[95] & s[42]) ^ (s[60] & s[79]) ^ (b[12] & b[95] & s[94])def _get_y(self):h = self._get_h()s = self.lfsrb = self.nfsrreturn h ^ s[93] ^ b[2] ^ b[15] ^ b[36] ^ b[45] ^ b[64] ^ b[73] ^ b[89]def keystream(self, length):keystream = []for _ in range(length * 8):y = self._get_y()keystream.append(y)lfsr_fb = self._get_lfsr_feedback()nfsr_fb = self._get_nfsr_feedback()self.lfsr = self.lfsr[1:] + [lfsr_fb]self.nfsr = self.nfsr[1:] + [nfsr_fb]bytes_stream = []for i in range(0, len(keystream), 8):byte = 0for j in range(8):byte |= (keystream[i + j] << (7 - j))bytes_stream.append(byte)return bytes(bytes_stream)def test_case1():print("测试示例1：")key = bytes.fromhex('00000000000000000000000000000000')iv = bytes.fromhex('000000000000000000000000')cipher = Grain128a(key, iv)keystream = cipher.keystream(40)print("\tkey(hex):",key.hex())print("\tiv(hex):",iv.hex())print("\tKeystream (hex):", keystream.hex())def test_case2():print("测试示例2：")key = bytes.fromhex('0123456789abcdef123456789abcdef0')iv = bytes.fromhex('0123456789abcdef12345678')cipher = Grain128a(key, iv)keystream = cipher.keystream(40)print("\tkey(hex):", key.hex())print("\tiv(hex):", iv.hex())print("\tKeystream (hex):", keystream.hex())if __name__ == "__main__":test_case1()test_case2()

三、总结

Grain-128a的设计充分考虑了硬件实现的效率。据论文数据显示，基础版本仅需约2769.5个等效门电路，而通过并行化技术，吞吐量可线性提升。这种特性使其特别适合物联网设备、智能卡、RFID标签等资源受限环境。算法支持认证模式和非认证模式的选择，为不同安全需求的应用提供了灵活性。我们的Python实现代码完整呈现了算法逻辑，具有重要的教学价值。