信息论安全的3个基础外包计算协议及空间位置关系保密判定

现存的安全几何计算协议大多采用公钥加密方法保护数据隐私,计算成本较大。当计算能力不强的用户解决复杂问题时,效率往往较低。针对这些问题,避开公钥加密的方法,而是利用矩阵论中一些特殊函数的性质和随机数混淆的方法来保护数据隐私,并且为了进一步提高效率,将大量的用户计算外包出去。在此基础上,首先设计了常用的3个基础向量外包计算协议,分别是安全外包计算的向量模长计算协议,向量内积计算协议和向量夹角计算协议,并利用模拟范例证明了协议的安全性,然后利用这3个基础协议进一步解决了现实意义中如何保密判断空间面与面位置关系的问题,并给出了具体协议。最后,通过理论分析与实验仿真显示:由于协议没有使用公钥加密的方法,因此达到了信息论安全;并且由于外包计算的使用,为用户节省了更多的计算成本,取得了比较高的效率;此外,协议能够解决的问题也更加广泛,可作为新的云计算技术的基础协议应用到安全多方计算的其它分支中。

密码学课程的教学探索

密码学是信息安全专业的基础课程。针对密码学课程的教学改革,文章从可视化软件、密码工程、前沿技术三方面进行了一些探索,取得了较好的教学效果,具有一定的参考价值。

基于GPU的大状态密码S盒差分性质评估方法

大状态的密码S盒能够为对称密码算法提供更好的混淆性,但对大状态S盒的性质评估开销巨大。为高效评估大状态密码S盒的差分性质,提出基于GPU并行计算的大状态密码S盒差分性质评估方法。该方法基于现有的差分均匀度计算方法,针对16比特S盒的差分均匀度和32比特S盒的差分性质,分别设计GPU并行方案,通过优化GPU并行粒度和负载均衡提高了核函数和GPU的执行效率,并缩短了计算时间。测试结果表明,相较于CPU方法和GPU并行方法,所提方法大幅降低了大状态S盒差分性质评估的计算时间,提高了对大状态S盒差分性质的评估效率:对16比特S盒差分均匀度的计算时间为0.3 min;对32比特S盒的单个输入差分的最大输出差分概率计算时间约5 min,对它的差分性质计算时间约2.6 h。

基于SM9标识密码算法的可否认环签名方案

可否认环签名是环签名的拓展,允许环成员无需依赖可信第三方的情况下,能够在必要时通过特定协议确认或者否认自己的签名行为。可否认环签名具有追踪性,兼顾了隐私保护和可控监管的需求。将可否认环签名技术与基于标识的密码体系相结合,既能保留可否认环签名的主要特性,又能克服传统公钥基础设施下用户公钥和证书管理复杂的问题。文章基于SM9数字签名算法,提出一种身份标识的可否认环签名方案,能够实现对环签名的确认和否认,同时避免了公钥证书管理的问题。文章证明了所提方案在随机预言模型下满足正确性、不可伪造性、匿名性、可追踪性和不可诽谤性。通过模拟实验对通信和计算开销进行分析,所提方案仅需常数次的双线性配对操作,且在计算效率和通信成本方面均具有显著优势。

隐式信息流重组粒度与污点传播能力判别

污点分析中的隐式信息流由于其通过控制流传播污点的特性导致许多基于数据流的污点分析技术无效或分析效率低.本文提出了一种简洁有效的基于重组粒度的隐式信息流污点传播能力判别方法.通过预定义重组链构建规则,并基于程序切片和控制依赖关系给出了隐式信息重组链构建算法,在重组链各端点的信息重组粒度计算的基础上,获得隐式信息流的重组粒度及重组比值,能判别其污点传播能力.此外,实验开发了一个包含15个隐式信息流代码段的隐式信息流测试集IIF-Bench,并用来验证了判别方法的有效性和良好独立性,使其易于作为扩展添加至其它静态污点分析方法中从而实现隐式信息流分析的能力.

GIFT密码算法的二阶门限实现及其安全性评估

目前已知GIFT算法的防护方案仅能抗一阶功耗攻击。为了使该算法能抵御高阶功耗攻击,利用GIFT算法的数学结构,结合门限实现方法,构造了GIFT算法的二阶门限实现方案;针对非线性部件S盒的数学特征,分别构建(3,9),(6,7)以及(5,10)等二阶门限实现方案,并选取所需硬件资源最少的(3,9)方案,将其在FPGA平台下实现。在实现时,为了更好地分析对比所耗硬件资源,使用并行和串行的硬件实现方法。结果表明,在Nan Gate 45nm工艺库下,并行实现消耗的总面积为12 043 GE,串行实现消耗的总面积为6 373 GE。通过采集实际功耗曲线,利用T-test对该二阶门限实现方案进行侧信息泄露评估,证实了该二阶门限实现方案的安全性。

几类高强度密码S盒的安全性新分析

针对几类高强度密码S盒是否存在新的安全性漏洞问题,提出了一种求解S盒非线性不变函数的算法。该算法主要基于密码S盒输入和输出的代数关系来设计。利用该算法对这几类密码S盒进行测试,发现其中几类存在相同的非线性不变函数;此外,如果将这些S盒使用于分组密码Midori-64的非线性部件上,将会得到一个新的变体算法。利用非线性不变攻击对其进行安全性分析,结果表明:该Midori-64变体算法存在严重的安全漏洞,即在非线性不变攻击下,存在2^(64)个弱密钥,并且攻击所需的数据、时间及存储复杂度可忽略不计,因此这几类高强度密码S盒存在新的安全缺陷。

基于MILP对轻量级密码算法FBC-128的差分分析

FBC(Feistel-based Block Cipher)是入围全国密码算法设计竞赛第二轮的轻量级分组密码.由于它具备算法结构简洁、安全性高及软硬件实现性能卓越等优点,备受业界广泛关注.FBC密码算法的数据分组长度和密钥长度至少为128比特,记为FBC-128.目前对FBC-128算法差分攻击的最好结果是12轮,时间复杂度为293.41次加密,数据复杂度为2122个选择明文对.然而,FBC算法是否存在更长的差分区分器,能否对其进行更高轮数的密钥恢复攻击仍有待解决.本文基于混合整数线性规划(MILP)的自动化搜索方法,提出了“分段统计法”来求解FBC-128的差分特征.实验测试结果表明:FBC-128存在15轮差分区分器,其概率为2-121.然后将其向后扩展1轮,对16轮FBC-128算法发起密钥恢复攻击,其数据复杂度为2121个选择明文数据量,时间复杂度为292.68次加密.与已有结果相比,差分区分器和密钥恢复攻击都提升了4轮,并且所需的数据复杂度和时间复杂度更低.

密码组件安全指标测试工具设计与实现

对称密码是信息系统中数据保密的核心技术,而非线性S盒通常是其中的关键密码组件,广泛用于分组密码、序列密码和MAC(Message Authentication Code)算法等设计。为了保障密码算法设计的安全性,首先,研究了差分均匀度、非线性度、不动点数、代数次数与项数、代数免疫度、雪崩特性、扩散特性的指标测试方法;其次,通过可视化窗口设计输出S盒的各个安全指标结果,并以弹窗形式给出对应安全指标的细节描述;再次,重点设计了S盒非线性度和代数免疫度的子模块,并对应非线性度简化了线性分布表,且基于定理对代数免疫度计算过程进行了优化和举例说明;最后,实现了S盒的测试工具,并给出了7种安全指标测试和案例演示。所提测试工具主要应用于对称密码算法的非线性组件S盒安全指标的测试,进而为算法整体提供安全保障。

支持第三方仲裁的智能电网数据安全聚合方案

智能电网作为新一代的电力系统,显著提高了电力服务的效率、可靠性和可持续性,但用户侧信息安全问题也日渐突出.本文针对智能电网系统中用户数据信息泄露的问题,提出了一个具有隐私保护的数据安全采集方案.收集器能够对采集到的电表数据进行验证,聚合为一个新的数据包,发送给电力服务中心解密和存储,且第三方仲裁机构能够解决用户端智能电表与电力服务中心发生的纠纷.同时,本方案支持收集器,电力服务中心和第三方仲裁机构执行批量验证操作,以提升验证效率.本文的理论分析与实验比较表明,该方案比同类型方案具有更高的运算效率和通信效率.

非加密方法安全计算两种集合关系

已存在的安全计算集合关系的协议大多基于公钥加密算法,因此很难再嵌入到带有属性关系的公钥加密或密文搜索中.针对该问题,给出了非加密方法安全计算集合包含关系和集合交集的两个协议.首先,利用(n,n)秘密共享的思想,分别将原来的两个问题转化为集合相等问题;在此基础上,结合离散对数构造了安全计算集合包含关系的协议1和集合交集的协议2;最后的分析显示:该方案没有使用任何公钥加密方法,在保持了较优通信复杂性的同时,便于作为一种子模块嵌入到带有集合操作关系的公钥加密体制或者密文搜索体制中,从而丰富这些方案的功能.

面向云数据库的多租户属性基安全隔离与数据保护方案

云数据库作为一种新兴的云计算应用,得到了广泛关注,而数据安全问题也成为云数据库进一步发展的难点。针对大型数据中心多租户云数据库的数据保护和业务QoS问题,文章提出了一种基于属性加密的多租户云数据库安全隔离和数据保护方案。首先,设计并实现了多租户云数据库管理系统,保证租户间的数据隔离;其次,提出了一个基于属性加密的中间件为租户数据进行加密和细粒度的权限控制,保证数据的安全性;最后,设计并实现了一套基于SDN网络架构的QoS系统,对云数据库服务的业务带宽进行保障。实验结果表明,文章设计的云数据库能够满足多租户的安全要求,当网络出现拥塞时,基于SDN的QoS系统可以保障加密数据库系统的业务带宽,确保租户的服务体验。

密码S盒的一种新自动搜索方法

密码S盒是许多对称密码算法的核心部件,通常决定算法的安全强度.如何设计并确保密码S盒具有一定能力抵御侧信道攻击(如功耗攻击)一直是业界研究的难点.在密码S盒的设计中,除了传统的代数构造外,采用自动搜索工具(如元胞自动机(cellular automata, CA))进行搜索设计也是当前研究热点之一.基于CA规则,采用变元分量部分固定和分别搜索的策略,提出了一种S盒新搜索方法.研究结果表明:更多的4×4最优S盒被发现,实现S盒的扩展;特别地,该方法还可以将CA规则下3类4×4次优S盒转化为4×4最优S盒.与已有结果相比较,新发现的4×4最优S盒具有较低透明阶等优点,能更好地抵御侧信道攻击.

CCA安全的抗连续泄露的广播密钥封装机制

传统公钥基础设施中的证书复杂管理和身份基密码体制中的密钥托管等问题在基于证书的密码体制下得到了很好的解决,因此无证书密码体制近年来得到了广泛关注.此外,在现实应用中,攻击者基于冷启动、边信道等各种各样的泄露攻击获得密码机制内部敏感状态(如秘密钥等)的泄露信息,导致在传统理想模型下被证明安全的密码机制不再具有相应的安全性.此外,由于广播通信模式具有较高的消息通信效率,多个具有广播通信功能的密码原语相继被提出.针对基于证书密钥封装机制对泄露容忍性和广播通信等性能的需求,提出抗泄露的基于证书的广播密钥封装机制的实例化构造,并基于判定的Diffie-Hellman困难性假设对其选择密文攻击下的安全性进行了证明.此外,为进一步增强该构造的实用性,研究了广播密钥封装机制的连续泄露容忍性,通过定期更新用户密钥的方式实现了对连续泄露攻击的抵抗目标.与现有工作的分析对比表明,该构造在保证安全性可证明的基础上,不仅实现了抵抗泄露攻击和广播通信的功能,而且拥有较高的计算效率.

LiCi分组密码算法的不可能差分分析

LiCi是由Patil等人(2017)提出的轻量级分组密码算法。由于采用新型的设计理念,该算法具有结构紧凑、能耗低、占用芯片面积小等优点,特别适用于资源受限的环境。目前该算法的安全性备受关注,Patil等人声称:16轮简化算法足以抵抗经典的差分攻击及线性攻击。该文基于S盒的差分特征,结合中间相遇思想,构造了一个10轮的不可能差分区分器。基于此区分器,向前后各扩展3轮,并利用密钥编排方案,给出了LiCi的一个16轮的不可能差分分析方法。该攻击需要时间复杂度约为283.08次16轮加密,数据复杂度约为259.76选择明文,存储复杂度约为276.76数据块,这说明16轮简化的LiCi算法无法抵抗不可能差分攻击。

可证明安全的高效车联网认证密钥协商协议

为进一步解决当前车联网认证密钥协商协议效率低下及车辆公私钥频繁更新的问题,研究者利用无证书密码体制能够解决身份基密码体制中密钥托管不足和传统公钥基础设施中证书复杂管理问题的优势,提出了安全高效的无证书车联网认证密钥协商协议.然而,本文分析发现现有的协议要么不具有轻量级的特征,要么无法满足其所声称的安全性.针对上述问题,本文提出安全性可证明的高效车联网认证密钥协商协议的新型构造,并基于判定性Diffie-Hellman和离散对数等复杂性假设对协商密钥的安全性和通信消息的不可伪造性进行了形式化证明.与现有的相关协议相比,本文协议不仅效率更高且安全性更优,同时具备证书和密钥的集中管理、双向认证等属性,上述优势使得该协议在车联网中具有更好的性能和适应性,因此我们的协议更适合在该网络中使用.

MIBS算法量子密码分析

随着量子计算的发展,一些分组密码可能不再安全.在ISIT 2010会议上,学者基于Simon算法提出了Feistel结构密码的3轮量子区分器,并证明能在多项式时间内求解,但该量子区分器的构建并没有考虑到密码算法的轮函数.本文研究构建与轮函数有关的量子区分器.轻量级分组密码算法MIBS的设计目标是普遍适用于资源受限的环境,如RFID标签和传感器网络.我们充分考虑了MIBS的轮函数及其线性变换的性质,由此提出了5轮量子区分器.然后我们遵循Leander和May的密钥恢复攻击框架,即Grover-meet-Simon算法,在Q2模型下对MIBS进行了7轮量子密钥恢复攻击,时间复杂度为2^(12).

ACE密码算法的积分分析

ACE是国际轻量级密码算法标准化征集竞赛第2轮候选算法之一。该算法具有结构简洁,软硬件实现快、适用于资源受限环境等特点,其安全性备受业界广泛关注。该文引入字传播轨迹新概念,构建了一个传播轨迹的描述模型,并给出一个可以自动化评估分组密码算法抵抗积分攻击能力的方法。基于ACE算法结构特点,将该自动化搜索方法应用于评估ACE算法的安全性。结果表明:ACE置换存在12步的积分区分器,需要的数据复杂度为2^(256),时间复杂度为2^(256)次12步的ACE置换运算,存储复杂度为8 Byte。相比于ACE算法设计者给出的积分区分器,该新区分器的步数提高了4步。

无可信第三方的加密重复数据安全删除方法

重复数据删除已广泛应用在公共云服务中,该技术指相同的数据副本只在云服务器存储一次,若有相同副本出现,则云服务器为上传者创建访问该数据副本的链接.数据的哈希值相同则证明数据相同,这使得明文数据重复删除较为简单.然而多数用户为保护数据隐私,通常选择使用私有密钥对数据加密,然后外包至云服务器.由于用户密钥多样化,导致相同明文被加密为不同密文,云服务器无法执行重复数据删除.现存解决方案多数依赖于第三方服务器,导致方案的安全性与执行效率较低.提出一种无需可信第三方的重复数据删除方案.使用口令认证密钥交换协议与双线性映射构建加密数据冗余性识别算法,安全验证不同加密数据是否源自相同明文数据.采用同态加密算法设计加密密钥传递算法,初识上传者能够通过云服务器将加密密钥安全传递至后继上传者.持有相同数据的用户能够获取相同加密密钥,使云服务器能够实现加密数据重复删除.安全性分析与性能评估体现本文方案拥有较高的安全性与执行效率.

工业控制系统关键组件安全风险综述

随着现代信息技术与通信技术的快速发展,工业控制(简称“工控”)系统已经成为国家关键基础设施的重要组成部分,其安全性关系到国家的战略安全和社会稳定。现代工控系统与互联网越来越紧密的联系,一方面促进了工控技术的快速进步,另一方面为其带来了巨大安全问题。自“震网”病毒事件之后,针对工控系统的攻击事件频发,给全球生产企业造成了巨大经济损失,甚至对很多国家和地区的社会稳定与安全造成重大影响,引起人们对工控系统安全的极大关注。现代工控系统中自动化设备品类和专有协议种类繁多、数据流复杂且发展迅速等,导致对工控关键组件安全的综述难度很大,现有与此相关的综述性文献较少,且大多较为陈旧、论述不全面。针对上述问题,介绍了当前工控系统的主流体系结构和相关组件。阐述并分析了关键工控组件中存在的安全漏洞及潜在的威胁,并重点针对数据采集与监视控制(SCADA)中的控制中心、可编程逻辑控制器、现场设备的攻击方法进行归纳、总结,对近几年文献中实施攻击的前提条件、攻击的对象、攻击的实施步骤及其危害性进行了归纳与分析,并从可用性、完整性和机密性的角度对针对工控网络的攻击进行了分类。给出了针对工控系统攻击的可能发展趋势。