完整的加密算法分下面四步给出。输入：明文m1...m64；密钥K=k1...k128输出：密文c1...c641）（密钥表）从K计算出16对子钥（Kmi,Kri）（参见2.1到2.4节）；2）(L0,R0)<--(m1...m64)（把明文分为左右两半，L0=m1…m32，R0=m33…m64）；3）（循环16次）对于i从1到16，按下述方法计算Li和Ri：Li=Ri-1;Ri=Li-1^f(Ri-1,Kmi,Kri),其中f在第2.2节中定义。（f根据i的不同，可以是Type1、Type2或者Type3）4）c1...c64<--(R16,L16)（交换最终得到的L16和R16并连接在一起构成密文。）

目录

简介

算法的描述(循环密钥对 不同的循环 置换箱 密钥表 掩码子钥与旋转子钥 可变的密钥长度 CAST5对象标识符 使用CAST-128算法的加密和解密)

讨论(概述 知识产权的问题 安全性的问题 附录A置换箱 附录B测试向量 相关文章)

目录

1 简介 1

2 算法的描述 2

2.1 循环密钥对 2

2.2 不同的循环 2

2.3 置换箱（SubstitutionBoxes） 3

2.4 密钥表 3

2.4.1.掩码子钥与旋转子钥 4

2.5 可变的密钥长度 5

2.6 CAST5对象标识符 5

2.7 讨论 6

3 知识产权的问题 6

4 安全性的问题 6

5 参考 6

6 作者地址 7

7 附录A置换箱（S-Boxes） 7

8 附录B.测试向量 13

简介

本文档描述了CAST-128加密算法，这是一种类似于DES的置换组合网路

（Substitution-PermutationNetwork，SPN）加密系统，对于微分密码分析、线性密码分析、

密码相关分析具有较好的抵抗力。这种加密还有其他的几个理想的特点，包括雪崩、严格的

雪崩标准（SAC）、位独立标准（BIC）、没有互补属性也不存在软弱或者半软弱的密钥。因

此对于整个Internet社区——要求密码强壮、容易获取的加密算法——而言，这是一种能够

满足一般应用的很好的选择。

Adams[Adams]详细地讨论了CAST设计过程，对于这种算法的分析也可以在网上找到

（比如，[Web1]或[Web2]）。

算法的描述

循环密钥对

CAST-128在每次循环中使用以对子钥：32位量Km作为“掩码”，5位量Kr用作“旋

转码”。

不同的循环

CAST-128使用三种不同的循环函数，如下所示（其中“D”是输入函数f的数据，“Ia”

到“Id”分别表示I中从高到低的4个字节）。注意“+”和“-”是以2**32为模的加减法，

“^”是位异或，“<<<”表示循环左移操作。

Type1:I=((Kmi+D)<<<Kri)

f=((S1[Ia]^S2[Ib])-S3[Ic])+S4[Id]

Type2:I=((Kmi^D)<<<Kri)

f=((S1[Ia]-S2[Ib])+S3[Ic])^S4[Id]

Type3:I=((Kmi-D)<<<Kri)

f=((S1[Ia]+S2[Ib])^S3[Ic])-S4[Id]

循环1、4、7、10、13和16使用f函数Type1；

循环2、5、8、11和14使用f函数Type2；

循环3、6、9、12和15使用f函数Type3。

置换箱

(SubstitutionBoxes）

CAST-128使用8个置换箱：置换箱（s-box）S1、S2、S3和S4是循环置换箱，S5、S6、

S7和S8是密钥表置换箱。尽管8个置换箱总共需要8K字节的内存，但是要注意在实际加

密/解密过程中只需要4K字节，因为子钥的产生通常在输入数据之前就完成了。

置换箱S1-S8的内容参见附录A。

密钥表

假设128位的密钥是x0x1x2x3x4x5x6x7x8x9xAxBxCxDxExF，其中x0是最高位的字节，

xF是最低位的字节。

令z0…zF是中间（临时）字节。

令S表示置换箱i，“^”代表异或加。

按照下述公式从密钥x0x1x2x3x4x5x6x7x8x9xAxBxCxDxExF生成子钥：

z0z1z2z3=x0x1x2x3^S5[xD]^S6[xF]^S7[xC]^S8[xE]^S7[x8]

z4z5z6z7=x8x9xAxB^S5[z0]^S6[z2]^S7[z1]^S8[z3]^S8[xA]

z8z9zAzB=xCxDxExF^S5[z7]^S6[z6]^S7[z5]^S8[z4]^S5[x9]

zCzDzEzF=x4x5x6x7^S5[zA]^S6[z9]^S7[zB]^S8[z8]^S6[xB]

K1=S5[z8]^S6[z9]^S7[z7]^S8[z6]^S5[z2]

K2=S5[zA]^S6[zB]^S7[z5]^S8[z4]^S6[z6]

K3=S5[zC]^S6[zD]^S7[z3]^S8[z2]^S7[z9]

K4=S5[zE]^S6[zF]^S7[z1]^S8[z0]^S8[zC]

x0x1x2x3=z8z9zAzB^S5[z5]^S6[z7]^S7[z4]^S8[z6]^S7[z0]

x4x5x6x7=z0z1z2z3^S5[x0]^S6[x2]^S7[x1]^S8[x3]^S8[z2]

x8x9xAxB=z4z5z6z7^S5[x7]^S6[x6]^S7[x5]^S8[x4]^S5[z1]

xCxDxExF=zCzDzEzF^S5[xA]^S6[x9]^S7[xB]^S8[x8]^S6[z3]

K5=S5[x3]^S6[x2]^S7[xC]^S8[xD]^S5[x8]

K6=S5[x1]^S6[x0]^S7[xE]^S8[xF]^S6[xD]

K7=S5[x7]^S6[x6]^S7[x8]^S8[x9]^S7[x3]

K8=S5[x5]^S6[x4]^S7[xA]^S8[xB]^S8[x7]

z0z1z2z3=x0x1x2x3^S5[xD]^S6[xF]^S7[xC]^S8[xE]^S7[x8]

z4z5z6z7=x8x9xAxB^S5[z0]^S6[z2]^S7[z1]^S8[z3]^S8[xA]

z8z9zAzB=xCxDxExF^S5[z7]^S6[z6]^S7[z5]^S8[z4]^S5[x9]

zCzDzEzF=x4x5x6x7^S5[zA]^S6[z9]^S7[zB]^S8[z8]^S6[xB]

K9=S5[z3]^S6[z2]^S7[zC]^S8[zD]^S5[z9]

K10=S5[z1]^S6[z0]^S7[zE]^S8[zF]^S6[zC]

K11=S5[z7]^S6[z6]^S7[z8]^S8[z9]^S7[z2]

K12=S5[z5]^S6[z4]^S7[zA]^S8[zB]^S8[z6]

x0x1x2x3=z8z9zAzB^S5[z5]^S6[z7]^S7[z4]^S8[z6]^S7[z0]

x4x5x6x7=z0z1z2z3^S5[x0]^S6[x2]^S7[x1]^S8[x3]^S8[z2]

x8x9xAxB=z4z5z6z7^S5[x7]^S6[x6]^S7[x5]^S8[x4]^S5[z1]

xCxDxExF=zCzDzEzF^S5[xA]^S6[x9]^S7[xB]^S8[x8]^S6[z3]

K13=S5[x8]^S6[x9]^S7[x7]^S8[x6]^S5[x3]

K14=S5[xA]^S6[xB]^S7[x5]^S8[x4]^S6[x7]

K15=S5[xC]^S6[xD]^S7[x3]^S8[x2]^S7[x8]

K16=S5[xE]^S6[xF]^S7[x1]^S8[x0]^S8[xD]

[剩下的一半与上面给出的一样，从最后生成的x0..xF产生密钥K17-K32。]

z0z1z2z3=x0x1x2x3^S5[xD]^S6[xF]^S7[xC]^S8[xE]^S7[x8]

z4z5z6z7=x8x9xAxB^S5[z0]^S6[z2]^S7[z1]^S8[z3]^S8[xA]

z8z9zAzB=xCxDxExF^S5[z7]^S6[z6]^S7[z5]^S8[z4]^S5[x9]

zCzDzEzF=x4x5x6x7^S5[zA]^S6[z9]^S7[zB]^S8[z8]^S6[xB]

K17=S5[z8]^S6[z9]^S7[z7]^S8[z6]^S5[z2]

K18=S5[zA]^S6[zB]^S7[z5]^S8[z4]^S6[z6]

K19=S5[zC]^S6[zD]^S7[z3]^S8[z2]^S7[z9]

K20=S5[zE]^S6[zF]^S7[z1]^S8[z0]^S8[zC]

x0x1x2x3=z8z9zAzB^S5[z5]^S6[z7]^S7[z4]^S8[z6]^S7[z0]

x4x5x6x7=z0z1z2z3^S5[x0]^S6[x2]^S7[x1]^S8[x3]^S8[z2]

x8x9xAxB=z4z5z6z7^S5[x7]^S6[x6]^S7[x5]^S8[x4]^S5[z1]

xCxDxExF=zCzDzEzF^S5[xA]^S6[x9]^S7[xB]^S8[x8]^S6[z3]

K21=S5[x3]^S6[x2]^S7[xC]^S8[xD]^S5[x8]

K22=S5[x1]^S6[x0]^S7[xE]^S8[xF]^S6[xD]

K23=S5[x7]^S6[x6]^S7[x8]^S8[x9]^S7[x3]

K24=S5[x5]^S6[x4]^S7[xA]^S8[xB]^S8[x7]

z0z1z2z3=x0x1x2x3^S5[xD]^S6[xF]^S7[xC]^S8[xE]^S7[x8]

z4z5z6z7=x8x9xAxB^S5[z0]^S6[z2]^S7[z1]^S8[z3]^S8[xA]

z8z9zAzB=xCxDxExF^S5[z7]^S6[z6]^S7[z5]^S8[z4]^S5[x9]

zCzDzEzF=x4x5x6x7^S5[zA]^S6[z9]^S7[zB]^S8[z8]^S6[xB]

K25=S5[z3]^S6[z2]^S7[zC]^S8[zD]^S5[z9]

K26=S5[z1]^S6[z0]^S7[zE]^S8[zF]^S6[zC]

K27=S5[z7]^S6[z6]^S7[z8]^S8[z9]^S7[z2]

K28=S5[z5]^S6[z4]^S7[zA]^S8[zB]^S8[z6]

x0x1x2x3=z8z9zAzB^S5[z5]^S6[z7]^S7[z4]^S8[z6]^S7[z0]

x4x5x6x7=z0z1z2z3^S5[x0]^S6[x2]^S7[x1]^S8[x3]^S8[z2]

x8x9xAxB=z4z5z6z7^S5[x7]^S6[x6]^S7[x5]^S8[x4]^S5[z1]

xCxDxExF=zCzDzEzF^S5[xA]^S6[x9]^S7[xB]^S8[x8]^S6[z3]

K29=S5[x8]^S6[x9]^S7[x7]^S8[x6]^S5[x3]

K30=S5[xA]^S6[xB]^S7[x5]^S8[x4]^S6[x7]

K31=S5[xC]^S6[xD]^S7[x3]^S8[x2]^S7[x8]

K32=S5[xE]^S6[xF]^S7[x1]^S8[x0]^S8[xD]

掩码子钥与旋转子钥

令Km1,...,Km16为32位的掩码子钥（每次循环使用一个）；

令Kr1,…,Kr16为32位的旋转子钥（每次循环使用一个，只是用最低的5位）；

for(i=1;i<=16;i++){Kmi=Ki;Kri=K16+i;}

可变的密钥长度

CAST-128加密算法被设计为密码长度是可变的，从40位到128位，每次递增8位（就

是说，密码长度可以是40、48、56、64…112、120、128位）。对于不同的密码长度，分别

采用不同的规范：

1） 密码长度从40到80（含80），按照上述算法操作，但是采用12循环而不是16。

2） 如果密码长度大于80位，采用完整的16次循环。

3） 如果密码长度小于128位，则在最低位补0直到128位（因为CAST-128密钥表假

定输入的密码是128位的。）

尽管CAST-128支持上述12种长度的密码，但在典型的应用中发现40、64、80和128

位是最有用的密码长度。因此，只要支持这四种长度的子集对于大多数应用就足够了。

为了避免在使用不同的密码长度操作时发生混淆，CAST-128被认为与名CAST5是同

义的，这样在后面加上密码长度就不会发生歧义了。这样，比方说使用40位密码的CAST-128

就被表示为CAST5-40；如果明确地使用128位密码，应该使用名称CAST5-128。

CAST5对象标识符

如果需要在协议中的算法协商中，或者其它需要使用对象标识符的上下文中使用

CAST，可以使用以下定义的OID。

algorithmsOBJECTIDENTIFIER::=

{iso(1)memberBody(2)usa(840)nt(113533)nsn(7)algorithms(66)}

cast5CBCOBJECTIDENTIFIER::={algorithmscast5CBC(10)}

Parameters::=SEQUENCE{

ivOCTETSTRINGDEFAULT0,--Initializationvector

keyLengthINTEGER--Keylength,inbits

}

注意：iv是可选的，默认为全0。在编码后，如果使用全0的iv，那么该参数不

应该出现在参数中。解码后，如果iv没有出现在参数列表中，应该解释为该参数全部

字节都是0。

使用CAST-128算法的加密和解密

下面是使用CAST-128对称块密码算法的CBC模式的加密和解密。

cast5MACOBJECTIDENTIFIER::={algorithmscast5MAC(11)}

Parameters::=SEQUENCE{

macLengthINTEGER,--MAClength,inbits

keyLengthINTEGER--Keylength,inbits

}

下面是使用CAST-128对称块密码算法的消息验证。

pbeWithMD5AndCast5CBCOBJECTIDENTIFIER::=

{algorithmspbeWithMD5AndCAST5-CBC(12)}

Parameters::=SEQUENCE{

saltOCTETSTRING,

iterationCountINTEGER,--Totalnumberofhashiterations

keyLengthINTEGER--Keylength,inbits

}

注意：IV是从哈希过程派生的，因此不必放在参数中。

这是以CBC模式使用MD5和CAST-128对称块密码的基于密码的加密和解密。关于

PBE计算的详细资料参见PKCS#5（它使用了DES密码）。

讨论

概述

CAST-128是一种12或16循环的Feistel密码，块长度是64位，密码长度最大128位；

它使用旋转实现对线性和微分分析的内在免疫性；在循环函数中混合使用XOR、模为2**32

的加减法；在加密过程中使用三种不同的循环函数。最后，循环函数中使用的8x32置换箱，

每一个最小的非线性为74，而且不同的分配表中最大项是2。

按照其密码长度（128）而言，这种加密是很强大的，而且具有很好的加密/解密效率，

在150MHz的奔腾处理器上每秒可以处理3.3M字节。

知识产权的问题

本文档描述的CAST-128加密算法可以在世界范围内免费用于商业和非商业用途。

安全性的问题

本备忘录完全是关于安全性的，它描述了一种算法专门用于加密的目的。

附录A置换箱

（S-Boxes）

S-BoxS1

30fb40d49fa0ff0b6beccd2f3f258c7a1e213f2f9c004dd36003e540cf9fc949

bfd4af2788bbbdb5e203409098d096756e63a0e015c361d2c2e7661d22d4ff8e

28683b6fc07fd059ff2379c8775f50e243c340d3df2f8656887ca41aa2d2bd2d

a1c9e0d6346c481961b76d8722540f2f2abe32e1aa54166b22568e3aa2d341d0

66db40c8a784392f004dff2f2db9d2de97943fac4a97c1d8527644b7b5f437a7

b82cbaefd751d1596ff7f0ed5a097a1f827b68d090ecf52e22b0c054bc8e5935

4b6d2f7f50bb64a2d2664910bee5812db7332290e93b159fb48ee4114bff345d

fd45c240ad31973fc4f6d02e55fc8165d5b1caada1ac2daea2d4b76dc19b0c50

882240f20c6e4f38a4e4bfd74f5ba272564c1d2fc59c5319b949e354b04669fe

b1b6ab8ac71358dd6385c545110f935d57538ad56a390493e63d37e02a54f6b3

3a787d5f6276a0b519a6fcdf7a42206a29f9d4d5f61b1891bb72275eaa508167

38901091c6b505eb84c7cb8c2ad75a0f874a1427a2d1936b2ad286afaa56d291

d7894360425c750d93b39e26187184c96c00b32d73e2bb14a0bebc3c54623779

64459eab3f328b827718cf8259a2cea604ee002e89fe78e63fab0950325ff6c2

81383f056963c5c876cb5ad6d49974c9ca180dcf380782d5c7fa5cf68ac31511

35e79e1347da91d0f40f9086a7e2419e31366241051ef495aa573b044a805d8d

548300d000322a3cbf64cddfba57a68e75c6372b50afd341a7c13275915a0bf5

6b54bfab2b0b1426ab4cc9d7449ccd82f7fbf265ab85c5f31b55db94aad4e324

cfa4bd3f2deaa3e29e204d02c8bd25aceadf55b3d5bd9e98e31231b22ad5ad6c

954329deadbe4528d8710f69aa51c90faa786bf622513f1eaa51a79b2ad344cc

7b5a41f0d37cfbad1b06950541ece491b4c332e6032268d4c9600accce387e6d

bf6bb16c6a70fb780d03d9c9d4df39dee01063da4736f4645ad328d8b347cc96

75bb0fc398511bfb4ffbcc35b58bcf6ae11f0abcbfc5fe4aa70aec10ac39570a

3f04442f6188b153e0397a2e5727cb799ceb418f1cacd68d2ad37c960175cb9d

c69dff09c75b65f0d9db40d8ec0e77794744ead4b11c3274dd24cb9e7e1c54bd

f01144f9d2240eb19675b3fda3ac3755d47c27af51c85f4d56907596a5bb15e6

580304f0ca042cf1011a37ea8dbfaadb35ba3e4a3526ffa0c37b4d09bc306ed9

98a526665648f725ff5e569d0ced63d07c63b2cf700b45e1d5ea50f185a92872

af1fbda7d4234870a7870bf32d3b4d7942e041980cd0ede726470db8f881814c

474d6ad77c0c5e5cd1231959381b7298f5d2f4dbab8386536e2f1e2383719c9e

bd91e0469a56456edc39200c20c8c571962bda1ce1e696ffb141ab087cca89b9

1a69e78302cc4843a2f7c579429ef47d427b169c5ac9f049dd8f0f005c8165bf

S-BoxS2

1f201094ef0ba75b69e3cf7e393f4380fe61cf7aeec5207a55889c9472fc0651

ada7ef794e1d7235d55a63cede0436ba99c430ef5f0c079418dcdb7da1d6eff3

a0b52f7b59e83605ee15b094e9ffd909dc440086ef944459ba83ccb3e0c3cdfb

d1da41813b092ab1f997f1c1a5e6cf7b01420ddbe4e7ef5b25a1ff41e180f806

1fc41080179bee7ad37ac6a9fe5830a498de8b7f77e83f4e7992926924fa9f7b

e113c85bacc40083d7503525f7ea615f621431540d554b635d681121c866c359

3d63cf73cee234c0d4d87e875c672b21071f618139f7627f361e3084e4eb573b

602f64a4d63acd9c1bbc46359e81032d2701f50c99847ab4a0e3df79ba6cf38c

108430942537a95ef46f6ffea1ff3b1f208cfb6a8f458c74d9e0a2274ec73a34

fc884f693e4de8dfef0e00883559648d8a45388c1d804366721d9bfda58684bb

e8256333844e8212128d8098fed33fb4ce280ae127e19ba5d5a6c252e49754bd

c5d655ddeb66706477840b4da1b6a80184db26a9e0b5671421f043b7e5d05860

54f03084066ff472a31aa153dadc4755b5625dbf68561be683ca6b942d6ed23b

eccf01dba6d3d0bab6803d5caf77a70933b4a34c397bc8d65ee22b955f0e5304

81ed6f6120e74364b45e1378de18639b881ca122b96726d18049a7e822b7da7b

5e552d255272d23779d2951cc60d894c488cb4021ba4fe5ba4b09f6b1ca815cf

a20c30058871df63b9de2fcb0cc6c9e90beeff53e3214517b45428359f63293c

ee41e7296e1d2d7c500452861e6685f3f33401c630a22c9531a7085060930f13

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附录B测试向量

该附录为本文描述的CAST-128加密提供测试向量。

B.1.单独的明文-密码-密文集

为了保证算法的正确实现，可以使用下面的测试向量（使用十六进制符号表示）进行验

证。

128-bitkey=0123456712345678234567893456789A

plaintext=0123456789ABCDEF

ciphertext=238B4FE5847E44B2

80-bitkey=01234567123456782345

=01234567123456782345000000000000

plaintext=0123456789ABCDEF

ciphertext=EB6A711A2C02271B

40-bitkey=0123456712

=01234567120000000000000000000000

plaintext=0123456789ABCDEF

ciphertext=7AC816D16E9B302E

B.2.完整的维护性测试

CAST-128的维护性测试被定义为验证实现的正确性。它使用如下的伪代码表示，其中

a和b是128位的向量，aL和bL是a左右两部分，bL和bR是b的左右两部分，enrypt(d,k)

是块对于密码k以ECB模式的加密。

Initiala=0123456712345678234567893456789A(hex)

Initialb=0123456712345678234567893456789A(hex)

do1,000,000times

{

aL=encrypt(aL,b)

aR=encrypt(aR,b)

bL=encrypt(bL,a)

bR=encrypt(bR,a)

}

Verifya==EEA9D0A249FD3BA6B3436FB89D6DCA92(hex)

Verifyb==B2C95EB00C31AD7180AC05B8E83D696E(hex)

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