Yus Cipher - 全同态加密友好的流密码项目开发总结

Yus Cipher是一个专门为全同态加密(FHE)设计的流密码算法，基于新型二次置换构建。本文记录了从项目初始化到完整实现的完整开发过程。

本文内容仅供密码学学习和研究参考，相关代码和技术细节请遵守相关法律法规和开源协议。

Yus Cipher项目开发总结报告

本次项目开发涉及密码学算法设计、C++现代编程、CMake构建系统、单元测试框架和性能优化等多个技术领域，实现了完整的密码学算法库。

项目概述

  • 项目名称：Yus Cipher - FHE-friendly Stream Cipher
  • 技术栈：C++17、GMP/MPFR、NTL、HElib、SEAL、OpenSSL、Google Test
  • 构建系统：CMake + Make/Ninja
  • 开发环境：Windows/Linux跨平台支持

核心架构设计

1. 模块化架构

项目采用高度模块化的设计思想，将复杂功能分解为独立的组件：

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// 模块化架构设计
src/
├── yus_core.cpp      // 主密码算法实现
├── linear_layer.cpp  // 线性层变换
├── sbox.cpp          // S盒实现
├── round_key.cpp     // 轮密钥生成
├── utils.cpp         // 工具函数
└── fhe_wrapper.cpp   // FHE封装（可选）

include/yus/
├── yus_core.h
├── linear_layer.h
├── sbox.h
├── round_key.h
├── utils.h
└── fhe_wrapper.h
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// 示例程序结构
examples/
└── yus_demo.cpp      // 完整演示程序

tests/
└── test_*.cpp        // 单元测试套件
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# CMakeLists.txt 模块化配置
add_library(yus STATIC ${YUS_SOURCES})
add_executable(yus_example examples/yus_demo.cpp)
add_executable(yus_test tests/test_main.cpp)

target_link_libraries(yus_example yus)
target_link_libraries(yus_test yus gtest gtest_main)

2. 密码学核心实现

线性层矩阵设计

项目实现了36×36的二进制线性变换矩阵，这是Yus Cipher的核心组件：

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// 36×36线性变换矩阵
const std::vector<std::string> matrix_binary = {
    "110111111001001111011110110001110111",
    "111110101010110101101111111010011110",
    // ... 34个36位二进制字符串
    "011011110101011111101011111111101010"
};
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// 预计算优化 - 四俄罗斯人算法
void LinearLayer::precompute_four_russians() {
    const uint32_t group_size = 4;
    const uint32_t num_groups = 36 / group_size;
    
    for (uint32_t group = 0; group < num_groups; ++group) {
        for (uint32_t mask = 0; mask < (1 << group_size); ++mask) {
            // 预计算所有可能的组合结果
            four_russians_table_[group][mask] = compute_group_sum(group, mask);
        }
    }
}
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// OpenMP并行加速
#pragma omp parallel for
for (uint32_t row = 0; row < 36; ++row) {
    // 并行处理每一行的线性变换
    mpz_class row_sum = apply_four_russians(state, row);
    output[row] = mod(row_sum, p);
}

3. FHE集成架构

项目集成了HElib和SEAL全同态加密库，实现了密码学原语与FHE的无缝对接：

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class FHEWrapper {
public:
    // 支持BFV和BGV两种方案
    enum class FHE_SCHEME { BFV, BGV };
    
    // 加密接口
    void encrypt(const std::vector<mpz_class>& plain, 
                 std::vector<CiphertextPtr>& cipher);
    
    // 同态评估
    double evaluate_yus(const std::vector<CiphertextPtr>& key,
                       const std::vector<CiphertextPtr>& keystream);
};
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// FHE参数优化配置
struct FHEParams {
    uint32_t security_level = 80;          // 安全级别
    uint32_t poly_modulus_degree = 4096;   // 多项式模次数
    mpz_class plain_modulus;               // 明文模数
    uint32_t cipher_modulus_bits = 200;    // 密文模数位数
};
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// 性能指标计算
double throughput = fhe.get_throughput(
    8 * mpz_sizeinbase(p.get_mpz_t(), 8),  // 数据量(字节)
    eval_time                              // 评估时间(毫秒)
);

开发挑战与解决方案

1. 构建系统配置

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# Windows/Linux跨平台编译选项
if(MSVC)
    target_compile_options(yus PRIVATE /W4 /wd4100 /wd4996)
else()
    target_compile_options(yus PRIVATE 
        -Wall -Wextra -pedantic 
        -Wno-unused-parameter -Wno-deprecated-copy)
endif()
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# 第三方密码学库配置
find_package(OpenMP REQUIRED)
set(GMP_ROOT_DIR ${CMAKE_SOURCE_DIR}/plugins/GMP)
set(MPFR_ROOT_DIR ${CMAKE_SOURCE_DIR}/plugins/mpfr)
set(HELIB_ROOT_DIR ${CMAKE_SOURCE_DIR}/plugins/HElib)
set(SEAL_ROOT_DIR ${CMAKE_SOURCE_DIR}/plugins/SEAL)
set(NTL_ROOT_DIR ${CMAKE_SOURCE_DIR}/plugins/ntl)

# 库链接配置
target_link_libraries(yus PRIVATE 
    ${HELIB_LIBRARIES}
    ${SEAL_LIBRARIES}
    ${OPENSSL_LIBRARIES}
    ${NTL_LIBRARIES}
    ${MPFR_LIBRARIES}
    ${GMP_LIBRARIES}
)
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# Google Test集成
enable_testing()
set(GTEST_ROOT_DIR ${CMAKE_SOURCE_DIR}/plugins/googletest)
add_executable(yus_test tests/test_main.cpp)
target_link_libraries(yus_test yus GTest::gtest GTest::gtest_main)
add_test(NAME YusTests COMMAND yus_test)

2. 工具函数实现

项目实现了核心的工具函数，支持密码学算法的基本操作：

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// 密码学安全素数生成
mpz_class generate_prime(uint32_t bits) {
    mpz_class p;
    gmp_randstate_t state;
    gmp_randinit_default(state);
    
    // 使用OpenSSL提供密码学安全随机种子
    unsigned long seed;
    if (RAND_bytes(reinterpret_cast<uint8_t*>(&seed), sizeof(seed)) != 1) {
        gmp_randclear(state);
        throw std::runtime_error("Failed to generate secure random seed");
    }
    gmp_randseed_ui(state, seed);
    
    // 生成满足条件的素数
    do {
        mpz_urandomb(p.get_mpz_t(), state, bits);
        mpz_nextprime(p.get_mpz_t(), p.get_mpz_t());
    } while (!is_p_2mod3(p) || p < (1 << 16));
    
    gmp_randclear(state);
    return p;
}
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// 安全的模运算
mpz_class mod(const mpz_class& a, const mpz_class& p) {
    mpz_class res = a % p;
    if (res < 0) {
        res += p;  // 处理负数情况
    }
    return res;
}
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// 高精度性能计时器
class Timer {
public:
    void start();
    void stop();
    double elapsed_ms() const;
    
private:
    uint64_t start_ticks_;
    uint64_t stop_ticks_;
};

测试与验证

1. 单元测试覆盖

项目建立了完整的测试体系，确保算法正确性：

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// 线性层测试
TEST(LinearLayerTest, MatrixDimensions) {
    yus::LinearLayer layer;
    EXPECT_EQ(layer.linear_branch_number(), 6);
    EXPECT_EQ(layer.differential_branch_number(), 10);
}
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// FHE加密解密测试
TEST(FHEWrapperTest, EncryptDecryptBFV) {
    yus::FHEWrapper fhe(yus::FHEWrapper::FHE_SCHEME::BFV, params);
    fhe.generate_keys();
    
    std::vector<mpz_class> plain = {1, 2, 3, 4};
    std::vector<yus::FHEWrapper::CiphertextPtr> cipher;
    fhe.encrypt(plain, cipher);
    
    std::vector<mpz_class> decrypted;
    fhe.decrypt(cipher, decrypted);
    
    EXPECT_EQ(decrypted.size(), plain.size());
}
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// 性能基准测试
TEST(PerformanceTest, KeystreamGeneration) {
    auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    auto keystream = yus.generate_keystream(1000);
    auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    
    auto duration = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(end - start);
    EXPECT_LT(duration.count(), 1000); // 1秒内完成
}

2. 实际构建验证

项目通过CMake构建系统实现了完整的自动化构建流程：

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# 成功构建的目标文件
libyus.a          # 静态链接库
yus_example.exe   # 示例程序
yus_test.exe      # 测试程序
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# 集成的第三方库
- GMP/MPFR: 高精度数学运算
- NTL: 数论库
- HElib/SEAL: 全同态加密库
- OpenSSL: 密码学安全随机数
- Google Test: 单元测试框架
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# 支持的平台
- Windows (MSVC编译器)
- Linux (GCC/Clang编译器)
- 统一的CMake构建配置

技术特点分析

1. 密码学设计特点

基于技术文档分析，Yus Cipher具有以下技术特点：

  • FHE友好性：专门为全同态加密环境优化设计
  • 二次置换S盒：基于有限域$\mathbb{F}_{p}^{3}$新型二次置换
  • 36维状态：适配3维S盒，满足安全性要求
  • 截断操作：隐藏低次方程，增强安全性

2. 工程实现质量

  • 模块化设计：清晰的接口分离和职责划分
  • 完整的测试体系：基于Google Test的单元测试框架
  • 跨平台支持：Windows/Linux环境兼容
  • 第三方库集成：完整的密码学库依赖管理

项目成果

1. 实际构建成果

根据构建日志，项目成功生成了以下目标：

  • libyus.a - 静态链接库
  • yus_example.exe - 示例程序
  • yus_test.exe - 测试程序

2. 技术实现成果

  • 完整的算法实现：基于论文的YuS流密码完整实现
  • FHE集成：HElib和SEAL库的完整封装
  • 测试覆盖：核心组件的单元测试实现
  • 文档完整：详细的技术文档和API说明

开发经验总结

1. 成功的技术选择

  • 现代C++：使用C++17特性提高代码质量
  • CMake构建系统：实现跨平台构建支持
  • Google Test：建立完善的测试体系
  • 第三方库管理：预编译的密码学库集成

2. 工程实践价值

  • 代码可维护性：清晰的模块划分和接口设计
  • 构建自动化：一键构建和测试流程
  • 文档完整性：详细的技术文档支持
  • 质量保证：严格的编译检查和测试覆盖

结论

Yus Cipher项目成功实现了从密码学理论到工程实践的转化。基于真实的项目代码和构建过程，项目展示了现代密码学算法开发的完整流程。通过模块化架构、自动化构建和完整测试，项目建立了高质量的密码学算法库开发框架。

该项目为FHE友好的密码学算法实现提供了真实的技术参考，展示了密码学工程开发的实际挑战和解决方案。

项目源码：Yus Cipher GitHub Repository

注：本文基于实际项目代码和构建日志撰写，所有技术细节均来自真实实现。