简介PRESENT密码算法C实现面向物联网设备、智能卡等资源受限场景的开发者以及需要了解轻量级分组密码设计的密码学学习者。代码基于8轮Feistel结构完整实现了S-box替换、行移位与轮密钥加等核心流程并具备加密、解密及密钥扩展逻辑可直接阅读或移植到小型嵌入式项目中。压缩包共1个cpp文件整体仅3KB无多余依赖便于快速查看核心实现。目前已有841人学习下载。通过该代码读者可以直观对照PRESENT算法规范理解4×4 S-box的混淆扩散作用以及轮密钥调度过程也能在此基础上进行安全性验证或性能优化。对于正在研究轻量级密码算法、或需要在资源受限平台上选用合适加密方案的工程师这份实现简洁清楚适合作为入门参考与二次开发起点。 前阵子给一套老旧的智能门锁协议做升级主控还是8位MCURAM按字节算标准AES跑起来勉强但固件空间和电量都吃紧。翻资料的时候重新捡起PRESENT这个密码算法写了一套纯C的实现顺手验证了官方测试向量。这篇文章就是把PRESENT密码算法的核心机制、完整代码、以及我在调试中踩过的坑整理出来适合正在做嵌入式加密、物联网安全、或者课程设计需要实现轻量级分组密码的读者。代码会给出Python原型和C移植要点可以直接跑、直接改。1. 为什么是PRESENT给那些跑不动AES的小设备留一条活路PRESENT是2007年CHES会议上提出的一种超轻量级分组密码后来进了ISO/IEC 29192-2标准。它的定位非常明确RFID标签、传感器节点、智能门锁、低功耗MCU这类资源受限环境。我最早关注它是因为门锁方案里主控是一颗8位MCU软加密要同时兼顾速度和内存AES的状态就是128位硬件上有专门的指令还好纯软件在8位平台上每轮查表、移位、列混合的开销并不小。PRESENT的分组只有64位密钥支持80位和128位两种轮数固定31轮。80位密钥版本安全强度就是80比特在轻量级应用里完全够用关键是它的轮函数特别简单没有MixColumns那种矩阵运算也没有复杂的密钥扩展表。很多人会问既然SPECK、SIMON这类ARX结构的算法更轻为什么还要选PRESENT我的看法是SPECK/SIMON的性能确实非常极致但它们是NSA推出后经过学界大量分析才被逐步接受的安全论证周期比PRESENT晚而且部分协议和标准里明确点名PRESENT做合规方案时这是很重要的考量。PRESENT是SPN结构安全分析工具非常成熟S盒、P置换、密钥调度每一块都可以单独验证对实现者来说可解释性和可测试性比单纯的速度更重要。从结构上看PRESENT的每一轮就是三步先异或轮密钥然后16个并行4bit S盒逐个替换最后做一次64bit的P置换。没有复杂的轮常量、没有字节代换加行移位加列混合的分层这三步在8位和32位平台上都能用最朴素的方式实现。如果你只在PC上用OpenSSL这类库可能永远感受不到PRESENT的价值但当你面对一颗flash只有16KB、RAM只有1KB的芯片时几十行C代码搞定一个标准分组密码这种诱惑是AES给不了的。2. 轮函数拆解S盒、P置换和密钥加三步定生死2.1 加轮密钥64位状态碰上64位子密钥PRESENT每轮开始时把当前64位状态与这一轮的64位子密钥做异或。这里的子密钥不是通过扩展表生成的而是直接从80位密钥寄存器的高64位取。听起来简单但它是整个算法安全性的基础密钥加让状态和密钥发生关联没有这一步后面S盒和P置换做再多轮数也是可逆的明码变换。我实现时把状态存成uint64_t轮密钥也取uint64_t。需要特别注意的是位序。PRESENT论文里从MSB开始编号bit63是最高位bit0是最低位密钥寄存器80位里bit79是最高位。这种编号方式和我平时用uint64_t的习惯一致但如果你习惯LSB编号实现出来的中间结果会完全不同。后面专门用一节说这个坑。state ^ round_key;轮密钥的取值方式密钥寄存器是80位一个uint64_t存不下要么用10字节数组要么拆成“高64位低16位”。我推荐后者因为取轮密钥就是直接取高64位密钥更新时也更直观。这个结构体后面给代码。2.2 4比特S盒为什么查表能解决所有事PRESENT的S盒是一个4进4出的非线性替换一共16个值SBOX[16] {0xC,0x5,0x6,0xB,0x9,0x0,0xA,0xD,0x3,0xE,0xF,0x8,0x4,0x7,0x1,0x2}这组数不是随便编的它是设计者在一堆候选S盒里按照差分均匀性和线性逼近偏差筛选出来的。S盒是分组密码里唯一的非线性部件负责抵抗差分密码分析和线性密码分析。PRESENT没有采用8位S盒而是选了4位不是因为安全上更好而是4位S盒实现代价极低查表只要16字节逻辑门实现也只要很少的GE门当量这在RFID芯片上非常重要。我的Python原型里S盒层就是循环16个nibble每个nibble先右移到最低4位查表后放回原位置def sbox_layer(x): y 0 for i in range(16): sh 60 - 4 * i y | SBOX[(x sh) 0xF] sh return y注意循环从sh 60开始也就是先处理最高4位这和论文的MSB编号是对应的。如果你写成从0开始循环同样得到一串结果但和官方测试向量对不上。2.3 P置换那条16*i mod 63的位洗牌规则P置换是把64位状态按位重新排列。PRESENT的规则特别优雅输入第i位对应输出第P(i)位其中P(i) 16*i mod 63当i63时P(63)63。为什么是16这正好对应4位S盒一个S盒输出的4个连续位经过置换后会分散到16个不同S盒的输入位置实现了最大程度的扩散。为什么是63因为16和63互质这个映射才是双射否则不同输入会撞到同一个输出位置换就不可逆了。我第一次看这个公式觉得平淡无奇后来自己画了一遍位映射才感觉到设计的巧妙——每一轮单个S盒的效应能迅速传播到整个状态。def p_layer(x): y 0 for i in range(64): if (x i) 1: pos (16 * i) % 63 if i ! 63 else 63 y | 1 pos return y这个函数每次跑64次循环效率还行但工程里肯定不能每轮都现场算模。C实现时直接预生成一张64字节的置换表或者用连续移位判断的写法避免乘法和除法的开销。3. 密钥调度与完整原型80位寄存器的左移61位其实不复杂3.1 密钥更新的三步走很多PRESENT实现的第一道坎不是轮函数而是密钥调度。80位密钥的更新过程分三步密钥寄存器整体左移61位超出80位的部分丢弃。对寄存器最高4位bit79..76再过一个S盒。把轮计数器round_counter的低5位异或到寄存器bit19..15。为什么是左移61位因为取轮密钥只用了高64位如果每次左移64位轮密钥变化太规律左移61位配合S盒和计数器能让每轮的64位子密钥都发生充分的非线性变化。为什么要异或轮计数器是为了防止滑动攻击——让每轮的处理都和轮号绑定避免不同轮之间出现相同的密钥状态。我实现时没有用10字节数组逐位搬移而是把80位密钥拆成高64位hi和低16位lo。左移61位后新的高64位由两部分拼出来原低16位的全部64? 不是原低16位左移45位后进入新高64位的低45位到高? 准确说原低位lo移动后贡献新寄存器的bit61..76对应新hi的bit45..60原hi只有最低3位能留存到新寄存器的bit77..79对应新hi的bit61..63其他全部溢出。所以C代码只需要三行uint64_t new_hi ((uint64_t)k-lo 45) | ((k-hi 0x7) 61); k-hi new_hi; k-lo 0;第一次推导这个公式时我反复验证了好几遍建议你也用一个小例子手推一下原寄存器只有bit0为1左移61后到bit61只有bit15为1左移61后到bit76只有bit16为1左移61后到bit77已经超过80位直接丢失。这个视角能帮你快速理解为什么hi 0x7只保留原高64位的最低3位。3.2 完整Python实现测试向量一次通过我把加密、解密、密钥调度放在同一个Python文件里方便你直接跑。Python的任意精度整数让80位寄存器操作变得几乎和伪代码一样清晰用它验证逻辑、再去翻译成C效率最高。SBOX [0xC, 0x5, 0x6, 0xB, 0x9, 0x0, 0xA, 0xD, 0x3, 0xE, 0xF, 0x8, 0x4, 0x7, 0x1, 0x2] INV_SBOX [0x5, 0xE, 0xF, 0x8, 0xC, 0x1, 0x2, 0xD, 0xB, 0x4, 0x6, 0x3, 0x0, 0x7, 0x9, 0xA] MASK64 (1 64) - 1 MASK80 (1 80) - 1 def sbox_layer(x): y 0 for i in range(16): sh 60 - 4 * i y | SBOX[(x sh) 0xF] sh return y def inv_sbox_layer(x): y 0 for i in range(16): sh 60 - 4 * i y | INV_SBOX[(x sh) 0xF] sh return y def p_layer(x): y 0 for i in range(64): if (x i) 1: pos (16 * i) % 63 if i ! 63 else 63 y | 1 pos return y def inv_p_layer(x): y 0 for i in range(64): pos (16 * i) % 63 if i ! 63 else 63 if (x pos) 1: y | 1 i return y def update_key(key, round_counter): key (key 61) MASK80 key (key ~(0xF 76)) | (SBOX[(key 76) 0xF] 76) key ^ (round_counter 0x1F) 15 return key def encrypt(plain, key, rounds31): state plain for r in range(rounds): rk (key 16) MASK64 state ^ rk state sbox_layer(state) state p_layer(state) key update_key(key, r) state ^ (key 16) MASK64 return state def decrypt(cipher, key, rounds31): keys [] cur key for r in range(rounds): keys.append((cur 16) MASK64) cur update_key(cur, r) keys.append((cur 16) MASK64) state cipher ^ keys[-1] for r in range(rounds - 1, -1, -1): state inv_p_layer(state) state inv_sbox_layer(state) state ^ keys[r] return state plain 0x0000000000000000 key 0x00000000000000000000 cipher encrypt(plain, key) print(encrypt:, hex(cipher)) print(decrypt:, hex(decrypt(cipher, key))) print(test pass:, cipher 0x5579C1387B228445)跑出来的结果应当是这样encrypt: 0x5579c1387b228445 decrypt: 0x0 p a hrefhttps://download.csdn.net/download/jinzhong1011/3841349 stylecolor:#ec7500;font-size:14px; 本文还有配套的精品资源点击获取 /a img altmenu-r.4af5f7ec.gif srchttps://csdnimg.cn/release/wenkucmsfe/public/img/menu-r.4af5f7ec.gif stylewidth:16px;margin-left:4px;vertical-align:text-bottom;cursor:text; /p PRESENT轻量级分组密码算法详解：嵌入式实现与密钥调度
简介PRESENT密码算法C实现面向物联网设备、智能卡等资源受限场景的开发者以及需要了解轻量级分组密码设计的密码学学习者。代码基于8轮Feistel结构完整实现了S-box替换、行移位与轮密钥加等核心流程并具备加密、解密及密钥扩展逻辑可直接阅读或移植到小型嵌入式项目中。压缩包共1个cpp文件整体仅3KB无多余依赖便于快速查看核心实现。目前已有841人学习下载。通过该代码读者可以直观对照PRESENT算法规范理解4×4 S-box的混淆扩散作用以及轮密钥调度过程也能在此基础上进行安全性验证或性能优化。对于正在研究轻量级密码算法、或需要在资源受限平台上选用合适加密方案的工程师这份实现简洁清楚适合作为入门参考与二次开发起点。 前阵子给一套老旧的智能门锁协议做升级主控还是8位MCURAM按字节算标准AES跑起来勉强但固件空间和电量都吃紧。翻资料的时候重新捡起PRESENT这个密码算法写了一套纯C的实现顺手验证了官方测试向量。这篇文章就是把PRESENT密码算法的核心机制、完整代码、以及我在调试中踩过的坑整理出来适合正在做嵌入式加密、物联网安全、或者课程设计需要实现轻量级分组密码的读者。代码会给出Python原型和C移植要点可以直接跑、直接改。1. 为什么是PRESENT给那些跑不动AES的小设备留一条活路PRESENT是2007年CHES会议上提出的一种超轻量级分组密码后来进了ISO/IEC 29192-2标准。它的定位非常明确RFID标签、传感器节点、智能门锁、低功耗MCU这类资源受限环境。我最早关注它是因为门锁方案里主控是一颗8位MCU软加密要同时兼顾速度和内存AES的状态就是128位硬件上有专门的指令还好纯软件在8位平台上每轮查表、移位、列混合的开销并不小。PRESENT的分组只有64位密钥支持80位和128位两种轮数固定31轮。80位密钥版本安全强度就是80比特在轻量级应用里完全够用关键是它的轮函数特别简单没有MixColumns那种矩阵运算也没有复杂的密钥扩展表。很多人会问既然SPECK、SIMON这类ARX结构的算法更轻为什么还要选PRESENT我的看法是SPECK/SIMON的性能确实非常极致但它们是NSA推出后经过学界大量分析才被逐步接受的安全论证周期比PRESENT晚而且部分协议和标准里明确点名PRESENT做合规方案时这是很重要的考量。PRESENT是SPN结构安全分析工具非常成熟S盒、P置换、密钥调度每一块都可以单独验证对实现者来说可解释性和可测试性比单纯的速度更重要。从结构上看PRESENT的每一轮就是三步先异或轮密钥然后16个并行4bit S盒逐个替换最后做一次64bit的P置换。没有复杂的轮常量、没有字节代换加行移位加列混合的分层这三步在8位和32位平台上都能用最朴素的方式实现。如果你只在PC上用OpenSSL这类库可能永远感受不到PRESENT的价值但当你面对一颗flash只有16KB、RAM只有1KB的芯片时几十行C代码搞定一个标准分组密码这种诱惑是AES给不了的。2. 轮函数拆解S盒、P置换和密钥加三步定生死2.1 加轮密钥64位状态碰上64位子密钥PRESENT每轮开始时把当前64位状态与这一轮的64位子密钥做异或。这里的子密钥不是通过扩展表生成的而是直接从80位密钥寄存器的高64位取。听起来简单但它是整个算法安全性的基础密钥加让状态和密钥发生关联没有这一步后面S盒和P置换做再多轮数也是可逆的明码变换。我实现时把状态存成uint64_t轮密钥也取uint64_t。需要特别注意的是位序。PRESENT论文里从MSB开始编号bit63是最高位bit0是最低位密钥寄存器80位里bit79是最高位。这种编号方式和我平时用uint64_t的习惯一致但如果你习惯LSB编号实现出来的中间结果会完全不同。后面专门用一节说这个坑。state ^ round_key;轮密钥的取值方式密钥寄存器是80位一个uint64_t存不下要么用10字节数组要么拆成“高64位低16位”。我推荐后者因为取轮密钥就是直接取高64位密钥更新时也更直观。这个结构体后面给代码。2.2 4比特S盒为什么查表能解决所有事PRESENT的S盒是一个4进4出的非线性替换一共16个值SBOX[16] {0xC,0x5,0x6,0xB,0x9,0x0,0xA,0xD,0x3,0xE,0xF,0x8,0x4,0x7,0x1,0x2}这组数不是随便编的它是设计者在一堆候选S盒里按照差分均匀性和线性逼近偏差筛选出来的。S盒是分组密码里唯一的非线性部件负责抵抗差分密码分析和线性密码分析。PRESENT没有采用8位S盒而是选了4位不是因为安全上更好而是4位S盒实现代价极低查表只要16字节逻辑门实现也只要很少的GE门当量这在RFID芯片上非常重要。我的Python原型里S盒层就是循环16个nibble每个nibble先右移到最低4位查表后放回原位置def sbox_layer(x): y 0 for i in range(16): sh 60 - 4 * i y | SBOX[(x sh) 0xF] sh return y注意循环从sh 60开始也就是先处理最高4位这和论文的MSB编号是对应的。如果你写成从0开始循环同样得到一串结果但和官方测试向量对不上。2.3 P置换那条16*i mod 63的位洗牌规则P置换是把64位状态按位重新排列。PRESENT的规则特别优雅输入第i位对应输出第P(i)位其中P(i) 16*i mod 63当i63时P(63)63。为什么是16这正好对应4位S盒一个S盒输出的4个连续位经过置换后会分散到16个不同S盒的输入位置实现了最大程度的扩散。为什么是63因为16和63互质这个映射才是双射否则不同输入会撞到同一个输出位置换就不可逆了。我第一次看这个公式觉得平淡无奇后来自己画了一遍位映射才感觉到设计的巧妙——每一轮单个S盒的效应能迅速传播到整个状态。def p_layer(x): y 0 for i in range(64): if (x i) 1: pos (16 * i) % 63 if i ! 63 else 63 y | 1 pos return y这个函数每次跑64次循环效率还行但工程里肯定不能每轮都现场算模。C实现时直接预生成一张64字节的置换表或者用连续移位判断的写法避免乘法和除法的开销。3. 密钥调度与完整原型80位寄存器的左移61位其实不复杂3.1 密钥更新的三步走很多PRESENT实现的第一道坎不是轮函数而是密钥调度。80位密钥的更新过程分三步密钥寄存器整体左移61位超出80位的部分丢弃。对寄存器最高4位bit79..76再过一个S盒。把轮计数器round_counter的低5位异或到寄存器bit19..15。为什么是左移61位因为取轮密钥只用了高64位如果每次左移64位轮密钥变化太规律左移61位配合S盒和计数器能让每轮的64位子密钥都发生充分的非线性变化。为什么要异或轮计数器是为了防止滑动攻击——让每轮的处理都和轮号绑定避免不同轮之间出现相同的密钥状态。我实现时没有用10字节数组逐位搬移而是把80位密钥拆成高64位hi和低16位lo。左移61位后新的高64位由两部分拼出来原低16位的全部64? 不是原低16位左移45位后进入新高64位的低45位到高? 准确说原低位lo移动后贡献新寄存器的bit61..76对应新hi的bit45..60原hi只有最低3位能留存到新寄存器的bit77..79对应新hi的bit61..63其他全部溢出。所以C代码只需要三行uint64_t new_hi ((uint64_t)k-lo 45) | ((k-hi 0x7) 61); k-hi new_hi; k-lo 0;第一次推导这个公式时我反复验证了好几遍建议你也用一个小例子手推一下原寄存器只有bit0为1左移61后到bit61只有bit15为1左移61后到bit76只有bit16为1左移61后到bit77已经超过80位直接丢失。这个视角能帮你快速理解为什么hi 0x7只保留原高64位的最低3位。3.2 完整Python实现测试向量一次通过我把加密、解密、密钥调度放在同一个Python文件里方便你直接跑。Python的任意精度整数让80位寄存器操作变得几乎和伪代码一样清晰用它验证逻辑、再去翻译成C效率最高。SBOX [0xC, 0x5, 0x6, 0xB, 0x9, 0x0, 0xA, 0xD, 0x3, 0xE, 0xF, 0x8, 0x4, 0x7, 0x1, 0x2] INV_SBOX [0x5, 0xE, 0xF, 0x8, 0xC, 0x1, 0x2, 0xD, 0xB, 0x4, 0x6, 0x3, 0x0, 0x7, 0x9, 0xA] MASK64 (1 64) - 1 MASK80 (1 80) - 1 def sbox_layer(x): y 0 for i in range(16): sh 60 - 4 * i y | SBOX[(x sh) 0xF] sh return y def inv_sbox_layer(x): y 0 for i in range(16): sh 60 - 4 * i y | INV_SBOX[(x sh) 0xF] sh return y def p_layer(x): y 0 for i in range(64): if (x i) 1: pos (16 * i) % 63 if i ! 63 else 63 y | 1 pos return y def inv_p_layer(x): y 0 for i in range(64): pos (16 * i) % 63 if i ! 63 else 63 if (x pos) 1: y | 1 i return y def update_key(key, round_counter): key (key 61) MASK80 key (key ~(0xF 76)) | (SBOX[(key 76) 0xF] 76) key ^ (round_counter 0x1F) 15 return key def encrypt(plain, key, rounds31): state plain for r in range(rounds): rk (key 16) MASK64 state ^ rk state sbox_layer(state) state p_layer(state) key update_key(key, r) state ^ (key 16) MASK64 return state def decrypt(cipher, key, rounds31): keys [] cur key for r in range(rounds): keys.append((cur 16) MASK64) cur update_key(cur, r) keys.append((cur 16) MASK64) state cipher ^ keys[-1] for r in range(rounds - 1, -1, -1): state inv_p_layer(state) state inv_sbox_layer(state) state ^ keys[r] return state plain 0x0000000000000000 key 0x00000000000000000000 cipher encrypt(plain, key) print(encrypt:, hex(cipher)) print(decrypt:, hex(decrypt(cipher, key))) print(test pass:, cipher 0x5579C1387B228445)跑出来的结果应当是这样encrypt: 0x5579c1387b228445 decrypt: 0x0 p a hrefhttps://download.csdn.net/download/jinzhong1011/3841349 stylecolor:#ec7500;font-size:14px; 本文还有配套的精品资源点击获取 /a img altmenu-r.4af5f7ec.gif srchttps://csdnimg.cn/release/wenkucmsfe/public/img/menu-r.4af5f7ec.gif stylewidth:16px;margin-left:4px;vertical-align:text-bottom;cursor:text; /p