基于海绵结构的密码杂凑算法Master

基于海绵结构的密码杂凑算法Master

什么是海绵结构？

海绵结构(Sponge Construction)是一种新型杂凑算法结构，该结构以其灵活性和安全性著称，最早被创新性的使用于SHA3(Keccak)算法的构建。目前使用了海绵结构的密码算法有Ketje，Keyak，SPONGENT，PHOTON等。它通过“吸收”（absorb）和“挤压”（squeeze）两个阶段处理输入数据，类似于海绵吸水后挤出的过程。基于海绵结构的密码算法使用相同的置换（Permutation）函数来处理每一个内部状态。

（1）海绵结构的内部状态

• 状态（State）：由固定大小的内部状态（b=r+c）组成，分为：
  • 速率部分（r）：直接与输入/输出交互。
  • 容量部分（c）：隐藏内部状态，决定安全性。

（2）内部状态的处理分为两个阶段

• 阶段（Stage）：
  • 吸收阶段：将输入分块（每块r位）与状态混合，经置换函数（f）迭代更新。
  • 挤压阶段：从状态中提取输出哈希值（每次r位），直至达到所需长度。

关于海绵结构的具体实现过程如下图所示：

Master算法为基于海绵结构设计的密码杂凑算法，其内部状态大小为1600(25X64)比特，置换函数为P25，输出杂凑值长度分别为256(r=1088，c=512)比特和512(r=576，c=1024)比特。

Master算法杂凑值计算过程如下图所示：

其中消息填充（Padding）算法如下所示：

Master使用与SHA3相同的“10*1”填充规则（称为Multi-rate Padding）：

1. 在消息末尾添加一个“1”。
2. 添加若干个“0”，直到长度满足 (n×r)−1。
3. 最后添加一个“1”。

示例（若 r=1088 bits）：

• 原始消息："Hello"（40 bits）→ 填充后："Hello" + "1" + 1046×"0" + "1"。

其中P25置换为14轮迭代ARX结构，如下图所示：

将25个64比特字按照5X5的矩阵形式排列

其中5个ARX结构函数F1，F2，F3，F4和F5如下图所示：

其中X0，X1，X2，X3和X4均为64位字。