背景
今天介绍两个分组密码族Simon和Speck。
【ECU（Electronic Control Unit）电子控制单元，又称“行车电脑”、“车载电脑”等，是汽车专用微机控制器。它和普通的电脑一样，由微处理器（MCU）、存储器（ROM、RAM）、输入/输出接口（I/O）、模数转换器（A/D）以及整形、驱动等大规模集成电路组成。 它就是汽车的大脑】。
目前在一些中高端乘用车上，不但在发动机上得到应用，在其它许多地方都有ECU的踪影。例如防抱死制动系统、四轮驱动系统、电控自动变速器、主动悬架系统、安全气囊系统、多向可调电控座椅等都配置有各自的ECU。随着汽车电子化、自动化比例的提高，ECU数量将会日益增多，线路也将日益复杂。为确保ECU之间安全地信息（数据）传输，需要先将数据（信息）解密后再进行传输。
那为何不直接用更复杂的对称算法AES呢？事实上，AES算法已经被建议在适当的时候用于轻量级应用。但对于受限制的环境而言，AES算法并不是最好的选择，理由是：
1、芯片层面积不应超过2000 GE，而最小的AES实现需要2400 GE。显而易见，当芯片面积小于2400 GE时AES算法并不适合，更轻量级的Simon与Speck则成为更优选。
2、软件层， Simon与Speck拥有被关注的对小数据对称加解密能力集，AES算法不能提供小的数据长度（如AES不提供64 bit）。
所以，车联网架构中，车辆中一些配置较低、面积较小的ECU之间相互通信的过程中，为了数据的安全性、完整性，Simon与Speck是最合适的选择。
概述
分组密码族Simon和Speck，属于对称算法范畴，它们的宽度和密钥大小各不相同。尽管存在许多轻量级的块密码，但大多数都是为了在单个平台上良好运行而设计的，而并不是为了在一系列设备上提供高性能。Simon和Speck的目标是满足对安全、灵活性和可分析的轻量级块密码的需求。它们在硬件和软件平台上都有出色的性能且足够灵活，可以在给定的平台上接受各种实现，并且可以使用现有技术进行分析。两者在整个轻量级应用程序中的性能都非常好，Simon在硬件方面优化了性能，Speck在软件方面优化了性能。
分组密码Simon族：是一类特别适合于资源受限环境的轻量级分组密码，采用平衡Feistel结构。自2013年被美国国家安全局提出以来，受到学者广泛关注。与其他轻量级分组密码不同，Simon密码要求门电路小于1000。此外，设计者提供了10个版本，均可用Simon 2n/mn表示（其中：n代表字长，2n表示分组长度，mn表示密钥长度），这使得Simon在硬件和软件方面均表现出良好的性能。例如：Simon 64/128指的是Simon对64 bit明文块执行操作并使用128 bit密钥版本。该算法被设计成在硬件上非常小，并且易于在不同级别序列化，但是注意不要牺牲软件性能。
（注：Feistel密码结构，在密码学研究中，是用于分组密码中的一种对称结构。其优点在于：由于它是对称的密码结构，所以对信息的加密和解密的过程就极为相似，甚至完全一样。这就使得在实施的过程中，对编码量和线路传输的要求减少了几乎一半。）
Simon分组密码工作原理如下图：
Simon轮函数原理图
分组密码Speck族： Speck系列算法也是美国安全局在2013年提出的轻量分组密码算法，该算法采用变形Feistel结构，轮函数（循环调用的函数）采用ARX模块，由循环移位、异或、模整数加法运算组成。分组密码在硬件和软件上都提供优异的性能，但是已经针对微控制器的性能进行了优化。我们对Speck的不同变体的表示法与Simon的完全类似。例如，Speck 96/144是指块大小为96 bit、密钥大小为144 bit的Speck分组密码。
Speck分组密码工作原理如下图：
Speck轮函数原理图
结束语
我们希望算法在4 bit、8 bit、16 bit和32 bit微控制器上具有优异的性能，而Simon和Speck非常适合低功耗和低能耗的实现（资源受限环境）。此外，由于Simon和Speck代码只提供加密功能（这对于轻量级应用程序是合理的），或许可在实现中包含解密算法。对于Speck来说，不成熟的实现还需要100字节左右的flash，但是通过利用加密和解密算法之间的相似性，我们可以大大减少这个数字。对于Simon来说，由于加密算法就是一种解密算法，因此其代价可以忽略不计，计算中最多就是交换首尾数据和重新排序轮密钥。
以下5个影响Simon与Speck的因素：：
（1）块的大小：大的块会提高加密的安全性，但是会降低加密、解密的速度。（注：目前比较流行的这种方案是128 bit。）
（2）密钥大小：目前128 bit正逐渐取代64 bit，成为主流。
（3）轮函数循环次数：每多进行一轮循环，安全性就会有所提高。现阶段比较流行的是16轮。（注：关于轮数需要根据实际业务与安全级别而定。）
（4）子密钥的生成算法：生成算法越复杂，则会使得密码被破译的难度增强，安全性越高。
（5）轮函数的复杂度：轮函数越复杂，安全性越高。
以上就是车联网众多节点中的车辆基于ECU微小算法—Simon与Speck的介绍，下一回我们将分析低配置安全存储—SHE，敬请关注。