基于行列异或的Arnold双置乱图像加密方法

针对目前加密图像单一以及加密算法安全性不高的问题,提出基于行列异或的Arnold双置乱图像加密方法。实施过程:首先根据Arnold变换公式对图像进行灰度空间置乱和位置空间置乱,然后进行行按位异或操作,其次,将上述结果再进行一次位置空间置乱,最后再进行列按位异或运算。该方法有效增强了传统Arnold双置乱的置乱效果,使图像得到充分扩散,最终得到密文图像。实验结果表明,本文方法能实现等长和不等长图像的置乱,改善了常规Arnold方法的置乱效果,有效降低了图像相邻像素间的相关性,保证了图像传输过程中的安全性和鲁棒性要求。

基于区块链与CP-ABE策略隐藏的众包测试任务隐私保护方案

为完善云环境下众测(众包测试)数据共享体系,解决众测领域存在的数据安全与隐私保护问题,提出基于区块链与基于密文策略的属性加密(CP-ABE)策略隐藏的众测任务隐私保护(CTTPP)方案。将区块链和属性基加密相结合,以提高众测数据共享的隐私性。首先,利用末端内部节点构造访问树表达访问策略,配合CP-ABE中的指数运算和双线性配对运算实现策略隐藏,以提高众测场景下数据共享的隐私保护能力;其次,调用区块链智能合约自动化验证数据访问者的合法性,与云服务器共同完成对任务密文访问权限的验证,进一步提高众测任务的安全性。性能测试结果表明,与同类型访问树策略隐藏算法相比,平均加密解密时间更短,加解密的计算开销更小;另外,当解密请求频率达到每秒1000笔时,区块链的处理能力开始逐渐饱和,数据上链和数据查询的最大处理时延为0.80 s和0.12 s,适用于轻量级的商业化众测应用场景。

基于模型驱动的密码算法可视化开发平台研究

针对密码算法开发平台普适性差、无法跨平台的问题,本文采用模型驱动实现密码算法开发的方法,设计了一种基于模型驱动的密码算法可视化开发平台,提出了一种基于模型驱动的密码算法开发的领域语言—MCL密码元语言;实现了基于模型的代码生成器和代码映射器.实验证明,该开发平台仅需要开发者拖拽图形块的操作就可以实现密码算法模型的建立,然后平台可以根据建立的密码算法模型生成不同编程环境下的代码.平台实现了C和python的代码映射器模块,密码算法模型可快速映射为C、python代码.平台有较好的实用性,开发者的密码算法实现过程简洁、高效,不同编程环境下的代码均可以通过平台自动生成,提高了密码算法实现的跨平台性.

基于多源数据聚合的神经网络侧信道攻击

基于深度学习的侧信道攻击需要针对密码算法的每一个密钥字节建模并训练,数据采集和模型训练开销大.针对该问题,提出一种基于多源数据聚合的神经网络侧信道攻击方法.为筛选具有良好泛化效果的密钥字节泄露数据进行数据聚合,以AES-128算法为例,先基于16个密钥字节的泄露数据训练16个单密钥字节模型,分别实现对16个密钥字节的恢复;其次,设计一种打分机制评估各单密钥字节模型的泛化效果,通过得分排序筛选出对各密钥字节恢复效果最好的单密钥字节模型;最后,以筛选模型所对应的各密钥字节泄露数据集构建多源数据聚合模型进行训练,实现密钥恢复.实验测试结果表明,多源数据聚合模型具有良好的泛化效果,有效提高了密钥恢复的准确率和效率,降低了恢复密钥所需的能量迹数量,其在采集能量迹较少的情况下依然具有较好的攻击效果.

通用计算电路的不可区分混淆自动化构造方法

不可区分混淆(indistinguishability obfuscation,iO)的构造问题是多年来一直困扰密码学研究的一个难题.现有的基于多线性映射、函数加密、全同态加密等密码学原语的i 构造均存在不同程度的安全性问题,且存在构造过程不易实现、电路扩展效率不高等缺陷.本文从电路的自动化搜索的全新角度审视iO的设计问题,将电路设计映射到图神经网络构造问题中,基于图神经网络的自动演化技术,探索了一种可以实现限定性满足不可区分性和功能保持性的通用iO构造方法:AGiO(Adversarial Graphweualietwork based iO).该iO的基本架构基于对偶的对抗性图神经网络架构,针对任意给定输入电路,通过图枚举得到备用的电路样本集合,然后使用以子电路为粒度的差分演化算法分别独立优化上述对偶的图神经网络,当自动化判定模型从统计上不能有效识别不同的输出电路时,达到所需不可区分的状态.测试结果表明,该AGiO架构简单,易于实现,较好地实现了输入电路的通用性和统计上的不可区分性.

积分故障分析下的Midori128密码算法安全性评估

为了研究Midori128密码算法针对积分故障攻击的安全性,建立积分区分器平衡位置、故障密文与轮密钥的关系,通过密钥搜索,可以恢复出算法的最后一轮密钥,进而利用密钥扩展算法恢复出主密钥。理论分析表明,利用3轮和4轮积分区分器进行积分故障攻击时,恢复出正确密钥的时间复杂度分别为2^(21)和2^(24)。采用准确性、成功率和耗费时间对倒数第4轮注入故障的攻击过程进行仿真,成功恢复出该算法的主密钥,并且针对不同明文分组和密钥进行对比实验。通过两组故障安全性分析方案可知,Midori128算法的轮函数易受到积分故障攻击,在算法运行时至少需要对倒数6轮进行故障检测等额外防护。

基于FPGA的TANGRAM分组密码算法实现

TANGRAM系列分组密码算法是一种采用比特切片方法,适合多种软硬件平台的系列分组密码算法。针对TANGRAM-128/128算法,使用Verilog HDL对该算法进行FPGA实现并提出设计方案。首先,介绍了TANGRAM密码算法的特点和流程,提出了针对TANGRAM密码算法进行44轮加/解密迭代计算的方案,该方案采取有限状态机的方法有效降低了资源消耗;其次,基于国产高云云源平台,完成了基于高云FPGA的算法工程实现,以及功能仿真和数据的正确性验证,同时在QuartusⅡ13.1.0平台上也进行了相关测试,用以比较。测试结果表明,TANGRAM系列分组密码算法基于Altera公司的CycloneⅣE系列EP4CE40F29C6芯片进行工程实现,最大时钟频率为138.64 MHz,加/解密速率为403.30 Mbps;基于高云半导体GW2A-55系列芯片的最大时钟频率为96.537 MHz,加/解密速率为280.80 Mbps。

动态层簇式无线传感网络信息加密算法

与传统的无线网络基于某种确定的网络拓扑结构组织不同,动态层簇式无线传感网络(Dynamic Layer Clustered Wireless Sensor Networks,DLCN)则是通过动态层次化的方式进行组织,导致DLCN在层次簇、簇首节点选取等诸多细节,实现较为复杂,其信息加密复杂度增加,安全性和平衡性问题一直是一个难点。提出针对动态层簇式无线传感网络的信息加密算法。分析动态层簇式无线传感网络结构,计算网络节点权重跳数以及传输时延,选取最优簇首,通过Logistic混沌映射对混沌序列展开计算,结合Merlay状态机的迁移传输,输出子密钥,实现了传感信息的加密。仿真结果表明:所提算法在DLCN数据加密过程中的密文位数始终在60左右、平均密钥扩展用时在2.5 ms以下、且二值比数值更接近于1,具备较高的安全性和平衡性。

PRIDE轻量级密码的不可能统计故障分析

针对2014年美密会上提出的PRIDE轻量级密码的实现安全,提出了面向唯密文攻击假设的新型不可能统计故障分析方法,设计了卡方拟合优度-汉明重量区分器、卡方拟合优度-极大似然估计区分器等新型区分器。所提方法基于随机半字节故障模型,结合统计分布状态和不可能关系分析,围绕导入故障前后中间状态的变化,最少仅需432个故障即可恢复出PRIDE算法的128 bit原始密钥,且成功率达99%及以上。实验分析表明,所提方法不仅能减少故障数和耗时,而且进一步提升了准确率。该结果对轻量级密码的实现安全性提供了重要参考。

基于天牛须优化算法和LP-SWT-SVD的鲁棒图像水印技术

为了有效保护数字媒体的知识产权,提出一种基于拉普拉斯金字塔和平稳小波变换(Stationary Wavelet Transform,SWT)及奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)的图像水印嵌入算法。该算法首先对原始图像进行拉普拉斯金字塔分解,然后对得到的残差图像进行一级平稳小波变换,得到低频子带LL1和高频子带HH1,分别对其进行SVD分解,并将SVD分解后的水印分别嵌入低频和高频子带的奇异值矩阵中,使用天牛须算法(Beetle Antennae Search,BAS)优化水印嵌入过程。水印检测时,将从LL1和HH1子带中提取的水印进行比较,选择效果较好的作为最终结果。仿真实验与其他文献的对比分析证明该算法不可见性和鲁棒性都较好。

基于多尺度注意力的生成式信息隐藏算法

针对现有生成式信息隐藏算法嵌入容量低且提取的秘密图像视觉质量欠佳的问题,提出基于多尺度注意力的生成式信息隐藏算法。首先,设计基于多尺度注意力的双编码-单解码生成器,载体图像与秘密图像的特征在编码端分两个支路独立提取,在解码端通过多尺度注意力模块进行融合,并利用跳跃连接为解码端提供不同尺度的细节特征,从而获得高质量的载密图像。其次,在U-Net结构的提取器中引入自注意力模块,以弱化载体图像特征、增强秘密图像深层特征,并利用跳跃连接弥补秘密图像细节特征,提高秘密信息提取的准确率;同时,多尺度判决器与生成器的对抗训练可以有效提升载密图像的视觉质量。实验结果表明,所提算法在嵌入容量为24 bpp的情况下,生成的载密图像峰值信噪比(PSNR)和结构相似性(SSIM)平均可达到40.93 dB和0.9883,且提取的秘密图像PSNR和SSIM平均可达到30.47 dB和0.9543。

支持模糊多关键字的动态可搜索加密方案

随着云计算的发展,云存储的便捷性和经济性使得大量用户将个人数据存储在第三方云服务器上.云端数据的加密存储可确保数据的安全性,但也增加了数据检索的难度.动态对称可搜索加密技术应运而生,其不仅能有效保护数据隐私,还可实现多关键字联合搜索的功能.同时,该技术在实际应用中引入的模糊搜索还可以增强用户的搜索体验和提高搜索效率.当前支持模糊搜索的可搜索加密方案存在一定的安全隐患,其未考虑动态更新时潜在的信息泄露问题.为此,提出了一种支持模糊多关键字的动态可搜索加密方案,在保证动态更新时信息安全的同时,支持多关键字联合搜索以及模糊搜索.该方案设计了一种关键字编码算法和局部敏感哈希函数构建模糊索引,并使用布隆过滤器加密算法对该索引进行加密,以实现模糊搜索.此外,引入了可信执行环境降低用户和服务器之间的通信开销、计算开销以及交互次数.最后,通过实验验证了该方案的安全性和有效性.

任意偶变元上代数免疫度最优的平衡旋转对称布尔函数的构造

旋转对称布尔函数是一类在输入进行循环移位的条件下输出保持不变的布尔函数.此类函数因具有特殊的结构并且包括许多具有良好密码学性质的布尔函数而在密码学领域受到广泛关注.在代数攻击出现之后,如何构造出具有最优代数免疫度的平衡旋转对称布尔函数成为布尔函数相关研究中的一个热点问题.对于这个问题的研究,在任意奇数变元上已经有了丰富的成果,而在任意偶变元上构造此类函数一直以来都是一件具有挑战性的工作.2021年,Mesnager等人提出了一类构造方法成功解决了这个难题,但所构造函数的非线性度不高.本文在任意偶变元n上给出了一类新的旋转对称布尔函数构造方法,所构造的函数不仅具有最优代数免疫度和平衡性,同时其非线性度在变元个数n大于等于8时均高于现有的任意偶变元上的同类构造.除此之外,通过电脑程序得到了这类新函数在变元个数小于等于16时不仅具有良好的抵抗快速代数攻击的能力而且代数次数可达到最高值n−1或次高值n−2.

序列密码立方攻击研究进展综述

立方攻击由Dinur和Shamir在2009年欧密会上首次提出,是一种高阶差分攻击和代数攻击.经过近十余年的研究,传统立方攻击不断发展,动态立方攻击、基于可分性的立方攻击、相关立方攻击相继提出,攻击思想不断丰富,攻击技术不断改进,逐渐成为针对基于非线性反馈移位寄存器的序列密码算法的重要攻击方法.特别地,立方攻击自2009年提出以来一直是国际轻量级序列密码标准Trivium最有效的密钥恢复攻击,动态立方攻击攻破了全轮Grain-128算法,Kreyvium、Grain-128AEAD、ACORN这些基于非线性反馈移位寄存器的序列密码算法都可以用立方攻击进行有效分析.本文介绍了立方攻击的基本原理和攻击方法,综述了实验立方攻击、基于可分性立方攻击、立方集构造、动态立方攻击、相关立方攻击等方面的研究进展.

基于身份的跨域分层访问控制加密方案

访问控制加密强制执行读写权限,它通过一个既不知道明文、发送者和接收者,也不知道访问控制策略的净化器,阻断所有不被允许的阈下信道.针对访问控制加密中密钥生成中心所面临的繁重的密钥管理负担,本文提出了基于身份的跨域分层访问控制加密方案.首先,在基于身份的分层广播加密方案的基础上提出了与聚合器兼容的净化的基于身份的分层广播加密方案,进一步结合结构保持签名、非交互式零知识证明和聚合器提出了一个跨域分层访问控制加密的通用构造.然后证明了通用构造的安全性,即满足无读和无写规则.此外,对通用构造进行了实例化,实现了半静态安全并且密文大小是恒定的.最后对实例化方案进行了性能分析,结果表明本方案在保证效率的同时实现了更加丰富的功能.

密码应用:从安全通信到数据可用不可见

随着信息革命的浪潮,计算机、互联网、物联网、人工智能等领域飞速发展,网络空间已成为现代社会的重要组成部分,并在各个方面改变着人们的生活生产方式.另一方面,网络空间快速发展导致的信息泄漏、隐私侵犯等问题愈发严峻,人们对数据安全与隐私保护的需求也日益高涨.面向不断增加的安全与隐私需求,相关密码技术持续演进,并广泛应用于金融、医疗、教育、政务等各个领域,以确保对敏感信息和数据资产的安全保护.本文围绕信息技术在不同发展阶段下的重要应用场景及研究热点,聚焦互联网信息传输、云端存储、区块链加密货币、电子投票、Web3.0以及隐私计算,阐释密码技术在相关领域典型应用示范.

SKINNY的差分故障攻击与ForkAE的密钥恢复攻击

作为LWC竞赛的候选算法之一,ForkAE是基于叉形密码结构的一系列轻量级认证加密算法,其中使用的加密原语为轻量级可调分组密码族SKINNY.本文首先给出了一种对SKINNY族内各算法进行差分故障攻击的方法.对于SKINNY-64-64和SKINNY-64-128,在算法倒数第三轮注入随机半字节故障,理论上平均通过2.32次随机半字节故障注入即可得知连续两轮共4个半字节的信息.通过对多个位置的信息获取,理论上平均通过9.23次随机半字节故障注入即可恢复单轮的64 bit轮密钥,结合密钥扩展算法即可恢复全部64 bit的主密钥.利用类似的方法攻击SKINNY-128-128和SKINNY-128-256,在算法倒数第三轮注入随机字节故障,理论上平均通过2.4次随机字节故障注入即可得知连续两轮共4个半字节的信息,平均通过9.56次随机字节故障注入即可恢复128 bit的主密钥.攻击SKINNY-64-192或SKINNY-128-384时需要额外对倒数第五轮进行攻击,分别需要18.52次随机半字节故障注入和19.18次随机字节故障注入.在对SKINNY完成的差分故障分析的基础上,本文给出了一种对ForkAE进行密钥恢复的方法,理论上仅需要1次对故障加密机的询问即可恢复ForkAE的主密钥.

一类新的逐重量完美平衡布尔函数的构造

对逐重量完美平衡(Weightwise Perfectly Balanced,WPB)函数的构造进行研究。给出一类四次函数,分析其k-重量,通过修改四次函数的支撑集完成一类新WPB函数的构造,并对其完美平衡性和代数次数进行证明。利用计算机程序对所构造的小变元WPB函数的k-重量非线性度进行计算,结果表明,构造的一类新WPB函数在某些重量k的子集上与现有函数相比有所提高。

基于多混沌映射算法的图像可逆化加密仿真

原图像经过对矩阵元素随机打乱可得到加密图像,加密后的图像可以有效防止已知攻击。可逆映射可以高效地实现像素置乱,但由于离散混沌序列的初始条件较为敏感,因此像素扩散置乱难度较大。为此提出基于多混沌映射算法的图像可逆化加密方法,在图像加密过程中,采用扩散置乱和Arnold变换置乱图像,通过Logistic映射系统和Chen系统生成离散混沌序列,置乱后图像中红、绿、蓝三基色分别执行异或运算,从而输出加密图像。在图像解密过程中,分别对扩散置乱、Arnold变换以及图像加密执行逆映射,输出解密图像,完成图像可逆化加密。实验结果表明,所提方法密钥敏感性和原图与解密图像像素值分布更均匀、相邻像素相关性更低,鲁棒性更强。

新形态对称密码算法研究

安全多方计算、全同态加密和零知识证明是解决数据安全问题的重要密码技术,其快速发展和应用需求驱动,引发了新形态对称密码的设计与安全性分析.本文系统介绍适宜安全多方计算、全同态加密和零知识证明的新形态对称密码算法.首先梳理新形态对称密码算法的应用需求和设计目标;然后归类介绍新形态对称密码算法的设计理念和最新的安全性评估结果;最后总结探讨新形态对称密码算法的设计特点以及面临的问题.