轻量级密码算法LED的C语言实现（无第三方库）

一、LED算法介绍

LED（Light Encryption Device）是一种轻量级分组密码算法，由Jian Guo等人设计，专门针对资源受限的硬件环境优化。该算法采用64位分组长度，支持64位和128位两种密钥长度，其设计灵感来源于AES，但在硬件实现上追求更小的硅片面积占用。LED标准文档的下载链接：The LED Block Cipher。

LED算法的核心结构采用了与AES相似的轮函数设计，包含四个主要操作：AddConstants（添加轮常数）、SubCells（S盒替换）、ShiftRows（行移位）和MixColumnsSerial（列混淆）。其中SubCells使用了PRESENT算法的4位S盒，提供了良好的非线性特性。MixColumnsSerial则通过一个硬件友好的MDS矩阵实现，该矩阵经过四次迭代后能达到完全扩散效果。

LED的一个显著特点是其极简的密钥调度方案——实际上它完全取消了密钥调度过程，直接重复使用原始密钥或密钥的两个部分。这种设计不仅减少了硬件实现复杂度，还使得算法在相关密钥攻击模型下也能提供可证明的安全性。通过分组操作和轮数设计，LED确保了足够的活跃S盒数量，从而抵抗差分和线性密码分析。

二、C语言实现

我们的LED算法C语言实现完整呈现了该密码算法的各个组件，通过模块化的函数设计清晰地展现了加密流程。

初始化与基本组件
实现中首先定义了LED算法所需的S盒和逆S盒，这些4位替换表是算法非线性特性的主要来源。同时预计算了GF(2⁴)有限域上的乘法表，用于后续的列混淆操作。这种查表法虽然会占用一定内存，但能显著提高运行效率，是嵌入式实现的常见优化手段。

密钥处理模块
AddKey函数实现了简单的轮密钥加操作，将64位密钥分为8个字节后，每个字节拆分为两个4位nibble与状态数组进行异或。值得注意的是，LED没有传统意义上的密钥调度算法，而是直接重复使用原始密钥，这一设计选择极大简化了实现复杂度，但也对算法的安全性证明提出了更高要求。

轮常数注入
AddConstants函数为每轮加密添加不同的常数，这些预定义的轮常数通过精心设计，确保了算法各轮之间的不对称性。实现中特别处理了状态矩阵的特定位置，使得常数添加能有效破坏可能出现的对称性攻击。轮常数的引入是预防滑动攻击等密码分析手段的重要措施。

非线性变换层
SubCells函数遍历状态矩阵的每个nibble，通过查表方式完成S盒替换。使用的4位S盒来自PRESENT算法，具有优良的密码学特性。对应的invSubCells函数则在解密过程中执行逆S盒替换，这两个函数构成了算法的核心非线性组件。

扩散操作组件
ShiftRow函数实现了类似AES的行移位操作，但针对4×4的nibble矩阵进行了调整，每行循环左移不同的偏移量。MixColumn函数则通过有限域矩阵乘法实现列混淆，使用预先计算的乘法表来优化性能。这两个扩散操作与非线性变换相互配合，确保了多轮加密后的充分混淆和扩散效果。

完整加密流程
加密函数led_encrypt_block将上述组件按特定顺序组合：初始密钥加后，进行8个大步(step)处理，每个大步包含4轮完整的加密操作。这种结构设计使得算法在硬件实现时可以获得较好的流水线效率，同时也便于进行安全性证明。

解密流程实现
解密函数led_decrypt_block采用与加密相反的步骤，使用各核心组件的逆函数。值得注意的是，轮常数的添加顺序也需要逆向处理，这体现了对称密码算法加解密对称性的特点。实现中通过调整循环顺序和调用逆函数，确保了加解密的正确互逆。

测试验证部分
提供的测试案例覆盖了全0、全1等边界情况，验证了算法实现的正确性。这些测试不仅检查了加密解密的基本功能，也验证了极端输入下的算法行为，是密码实现质量保证的重要环节。测试输出采用十六进制格式，便于人工验证结果的正确性。

#include<stdint.h>
#include<stdio.h>

static const uint8_t led_sbox[16] = {0xc, 0x5, 0x6, 0xb, 0x9, 0x0, 0xa, 0xd, 0x3, 0xe, 0xf, 0x8, 0x4, 0x7, 0x1, 0x2};
static const uint8_t led_inv_sbox[16] = {0x5, 0xe, 0xf, 0x8, 0xc, 0x1, 0x2, 0xd, 0xb, 0x4, 0x6, 0x3, 0x0, 0x7, 0x9, 0xa};

uint8_t gmult_4bit[16][16] = {
        {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00},
        {0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07, 0x08, 0x09, 0x0a, 0x0b, 0x0c, 0x0d, 0x0e, 0x0f},
        {0x00, 0x02, 0x04, 0x06, 0x08, 0x0a, 0x0c, 0x0e, 0x03, 0x01, 0x07, 0x05, 0x0b, 0x09, 0x0f, 0x0d},
        {0x00, 0x03, 0x06, 0x05, 0x0c, 0x0f, 0x0a, 0x09, 0x0b, 0x08, 0x0d, 0x0e, 0x07, 0x04, 0x01, 0x02},
        {0x00, 0x04, 0x08, 0x0c, 0x03, 0x07, 0x0b, 0x0f, 0x06, 0x02, 0x0e, 0x0a, 0x05, 0x01, 0x0d, 0x09},
        {0x00, 0x05, 0x0a, 0x0f, 0x07, 0x02, 0x0d, 0x08, 0x0e, 0x0b, 0x04, 0x01, 0x09, 0x0c, 0x03, 0x06},
        {0x00, 0x06, 0x0c, 0x0a, 0x0b, 0x0d, 0x07, 0x01, 0x05, 0x03, 0x09, 0x0f, 0x0e, 0x08, 0x02, 0x04},
        {0x00, 0x07, 0x0e, 0x09, 0x0f, 0x08, 0x01, 0x06, 0x0d, 0x0a, 0x03, 0x04, 0x02, 0x05, 0x0c, 0x0b},
        {0x00, 0x08, 0x03, 0x0b, 0x06, 0x0e, 0x05, 0x0d, 0x0c, 0x04, 0x0f, 0x07, 0x0a, 0x02, 0x09, 0x01},
        {0x00, 0x09, 0x01, 0x08, 0x02, 0x0b, 0x03, 0x0a, 0x04, 0x0d, 0x05, 0x0c, 0x06, 0x0f, 0x07, 0x0e},
        {0x00, 0x0a, 0x07, 0x0d, 0x0e, 0x04, 0x09, 0x03, 0x0f, 0x05, 0x08, 0x02, 0x01, 0x0b, 0x06, 0x0c},
        {0x00, 0x0b, 0x05, 0x0e, 0x0a, 0x01, 0x0f, 0x04, 0x07, 0x0c, 0x02, 0x09, 0x0d, 0x06, 0x08, 0x03},
        {0x00, 0x0c, 0x0b, 0x07, 0x05, 0x09, 0x0e, 0x02, 0x0a, 0x06, 0x01, 0x0d, 0x0f, 0x03, 0x04, 0x08},
        {0x00, 0x0d, 0x09, 0x04, 0x01, 0x0c, 0x08, 0x05, 0x02, 0x0f, 0x0b, 0x06, 0x03, 0x0e, 0x0a, 0x07},
        {0x00, 0x0e, 0x0f, 0x01, 0x0d, 0x03, 0x02, 0x0c, 0x09, 0x07, 0x06, 0x08, 0x04, 0x0a, 0x0b, 0x05},
        {0x00, 0x0f, 0x0d, 0x02, 0x09, 0x06, 0x04, 0x0b, 0x01, 0x0e, 0x0c, 0x03, 0x08, 0x07, 0x05, 0x0a}
};

void AddKey(uint8_t *state, const uint8_t *key) {
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
        state[2 * i] ^= key[i] >> 4;
        state[2 * i + 1] ^= key[i] & 0xf;
    }
}

void AddConstants(uint8_t *state, uint8_t r) {
    const uint8_t RC[32] = {
            0x01, 0x03, 0x07, 0x0F, 0x1F, 0x3E, 0x3D, 0x3B,
            0x37, 0x2F, 0x1E, 0x3C, 0x39, 0x33, 0x27, 0x0E,
            0x1D, 0x3A, 0x35, 0x2B, 0x16, 0x2C, 0x18, 0x30,
            0x21, 0x02, 0x05, 0x0B, 0x17, 0x2E, 0x1C, 0x38
    };

    state[4] ^= 0x1;
    state[8] ^= 0x2;
    state[12] ^= 0x3;

    uint8_t tmp = (RC[r] >> 3) & 7;
    state[1] ^= tmp;
    state[9] ^= tmp;
    tmp = RC[r] & 7;
    state[5] ^= tmp;
    state[13] ^= tmp;
}

void SubCells(uint8_t *state) {
    for (uint8_t i = 0; i < 16; i++) {
        state[i] = led_sbox[state[i]];
    }
}

void invSubCells(uint8_t *state) {
    for (uint8_t i = 0; i < 16; i++) {
        state[i] = led_inv_sbox[state[i]];
    }
}

void ShiftRow(uint8_t *state) {
    uint8_t t0, t1;

    t0 = state[4];
    state[4] = state[5];
    state[5] = state[6];
    state[6] = state[7];
    state[7] = t0;

    t0 = state[8];
    t1 = state[9];
    state[8] = state[10];
    state[9] = state[11];
    state[10] = t0;
    state[11] = t1;

    t0 = state[15];
    state[15] = state[14];
    state[14] = state[13];
    state[13] = state[12];
    state[12] = t0;
}

void invShiftRow(uint8_t *state) {
    uint8_t t0, t1;

    t0 = state[7];
    state[7] = state[6];
    state[6] = state[5];
    state[5] = state[4];
    state[4] = t0;

    t0 = state[8];
    t1 = state[9];
    state[8] = state[10];
    state[9] = state[11];
    state[10] = t0;
    state[11] = t1;

    t0 = state[12];
    state[12] = state[13];
    state[13] = state[14];
    state[14] = state[15];
    state[15] = t0;
}

void MixColumn(uint8_t *state) {
    uint8_t tmp[16];
    for (uint8_t i = 0; i < 4; i++) {
        tmp[i] = gmult_4bit[0x4][state[i]] ^ gmult_4bit[0x1][state[i + 4]] ^ gmult_4bit[0x2][state[i + 8]] ^
                 gmult_4bit[0x2][state[i + 12]];
        tmp[i + 4] = gmult_4bit[0x8][state[i]] ^ gmult_4bit[0x6][state[i + 4]] ^ gmult_4bit[0x5][state[i + 8]] ^
                     gmult_4bit[0x6][state[i + 12]];
        tmp[i + 8] = gmult_4bit[0xb][state[i]] ^ gmult_4bit[0xe][state[i + 4]] ^ gmult_4bit[0xa][state[i + 8]] ^
                     gmult_4bit[0x9][state[i + 12]];
        tmp[i + 12] = gmult_4bit[0x2][state[i]] ^ gmult_4bit[0x2][state[i + 4]] ^ gmult_4bit[0xf][state[i + 8]] ^
                      gmult_4bit[0xb][state[i + 12]];
    }
    for (uint8_t i = 0; i < 16; i++) {
        state[i] = tmp[i];
    }
}

void invMixColumn(uint8_t *state) {
    uint8_t tmp[16];
    for (uint8_t i = 0; i < 4; i++) {
        tmp[i] = gmult_4bit[0xc][state[i]] ^ gmult_4bit[0xc][state[i + 4]] ^ gmult_4bit[0xd][state[i + 8]] ^
                 gmult_4bit[0x4][state[i + 12]];
        tmp[i + 4] = gmult_4bit[0x3][state[i]] ^ gmult_4bit[0x8][state[i + 4]] ^ gmult_4bit[0x4][state[i + 8]] ^
                     gmult_4bit[0x5][state[i + 12]];
        tmp[i + 8] = gmult_4bit[0x7][state[i]] ^ gmult_4bit[0x6][state[i + 4]] ^ gmult_4bit[0x2][state[i + 8]] ^
                     gmult_4bit[0xe][state[i + 12]];
        tmp[i + 12] = gmult_4bit[0xd][state[i]] ^ gmult_4bit[0x9][state[i + 4]] ^ gmult_4bit[0x9][state[i + 8]] ^
                      gmult_4bit[0xd][state[i + 12]];
    }
    for (uint8_t i = 0; i < 16; i++) {
        state[i] = tmp[i];
    }
}

void led_encrypt_block(const uint8_t *plain, uint8_t *cipher, const uint8_t *key) {
    uint8_t state[16];
    for (uint8_t i = 0; i < 4; i++) {
        state[2 * i] = plain[3 - i] >> 4;
        state[2 * i + 1] = plain[3 - i] & 0xf;
        state[2 * i + 8] = plain[7 - i] >> 4;
        state[2 * i + 9] = plain[7 - i] & 0xf;
    }

    uint8_t ikey[8];
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        ikey[i] = key[3 - i];
        ikey[i + 4] = key[7 - i];
    }

    AddKey(state, ikey);
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
        for (uint8_t j = 0; j < 4; j++) {
            AddConstants(state, 4 * i + j);
            SubCells(state);
            ShiftRow(state);
            MixColumn(state);
        }
        AddKey(state, ikey);
    }

    for (uint8_t i = 0; i < 4; i++) {
        cipher[3 - i] = (state[2 * i] << 4) | (state[2 * i + 1] & 0xf);
        cipher[7 - i] = (state[2 * i + 8] << 4) | (state[2 * i + 9] & 0xf);
    }
}

void led_decrypt_block(const uint8_t *cipher, uint8_t *plain, const uint8_t *key) {
    uint8_t state[16];
    for (uint8_t i = 0; i < 4; i++) {
        state[2 * i] = cipher[3 - i] >> 4;
        state[2 * i + 1] = cipher[3 - i] & 0xf;
        state[2 * i + 8] = cipher[7 - i] >> 4;
        state[2 * i + 9] = cipher[7 - i] & 0xf;
    }

    uint8_t ikey[8];
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        ikey[i] = key[3 - i];
        ikey[i + 4] = key[7 - i];
    }

    AddKey(state, ikey);
    for (int i = 7; i >= 0; i--) {
        for (int j = 3; j >= 0; j--) {
            invMixColumn(state);
            invShiftRow(state);
            invSubCells(state);
            AddConstants(state, 4 * i + j);
        }
        AddKey(state, ikey);
    }

    for (uint8_t i = 0; i < 4; i++) {
        plain[3 - i] = (state[2 * i] << 4) | (state[2 * i + 1] & 0xf);
        plain[7 - i] = (state[2 * i + 8] << 4) | (state[2 * i + 9] & 0xf);
    }
}

void print_data(uint8_t *data, int data_len, const char *name) {
    printf("\t%s: ", name);
    for (int i = 0; i < data_len; i++) {
        printf("%02x ", data[i]);
    }
    printf("\n");
}

void test_case1() {
    printf("test case 3:\n");
    uint8_t mkey[] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00};
    uint8_t plain[] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00};
    uint8_t cipher[8] = {0};
    uint8_t decrypted_plain[8] = {0};
    print_data(plain, 8, "plaintext");
    print_data(mkey, 8, "mkey");
    led_encrypt_block(plain, cipher, mkey);
    print_data(cipher, 8, "ciphertext");
    led_decrypt_block(cipher, decrypted_plain, mkey);
    print_data(decrypted_plain, 8, "decrypted plaintext");
}

void test_case2() {
    printf("test case 3:\n");
    uint8_t mkey[] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00};
    uint8_t plain[] = {0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff};
    uint8_t cipher[8] = {0};
    uint8_t decrypted_plain[8] = {0};
    print_data(plain, 8, "plaintext");
    print_data(mkey, 8, "mkey");
    led_encrypt_block(plain, cipher, mkey);
    print_data(cipher, 8, "ciphertext");
    led_decrypt_block(cipher, decrypted_plain, mkey);
    print_data(decrypted_plain, 8, "decrypted plaintext");
}

void test_case3() {
    printf("test case 3:\n");
    uint8_t mkey[] = {0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff};
    uint8_t plain[] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00};
    uint8_t cipher[8] = {0};
    uint8_t decrypted_plain[8] = {0};
    print_data(plain, 8, "plaintext");
    print_data(mkey, 8, "mkey");
    led_encrypt_block(plain, cipher, mkey);
    print_data(cipher, 8, "ciphertext");
    led_decrypt_block(cipher, decrypted_plain, mkey);
    print_data(decrypted_plain, 8, "decrypted plaintext");
}

void test_case4() {
    printf("test case 3:\n");
    uint8_t mkey[] = {0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff};
    uint8_t plain[] = {0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff};
    uint8_t cipher[8] = {0};
    uint8_t decrypted_plain[8] = {0};
    print_data(plain, 8, "plaintext");
    print_data(mkey, 8, "mkey");
    led_encrypt_block(plain, cipher, mkey);
    print_data(cipher, 8, "ciphertext");
    led_decrypt_block(cipher, decrypted_plain, mkey);
    print_data(decrypted_plain, 8, "decrypted plaintext");
}

int main(){
    test_case1();
    test_case2();
    test_case3();
    test_case4();
    return 0;
}

三、总结

LED算法通过精简的设计在硬件效率和安全性之间取得了良好平衡。其取消密钥调度的创新设计大大减少了硬件实现面积，同时通过数学证明保证了安全性。C语言实现展示了算法各组成模块的细节，包括S盒替换、行移位、列混淆等核心操作。

该实现完整呈现了LED的加密解密流程，通过测试案例验证了正确性。在实际应用中，LED特别适合RFID标签、传感器网络等资源受限环境，其小面积实现（约1000GE左右）和低功耗特性使其在物联网安全领域具有应用潜力。