基于MetaCrypto平台的SM4密码算法实现

针对现有通用编程语言在实现密码算法时存在编程难度大和可维护性差等问题,提出了一种基于MetaCrypto平台的密码算法实现方式。基于MetaCrypto平台的MCL元语言和映射原理,实现了SM4密码算法模型和Python语言映射接口,完成了从SM4密码算法模型到Python语言的代码生成;对映射为Python平台的SM4算法进行正确性验证和加/解密速率测试,并比较了x86架构、ARM架构、LoongArch架构下的加/解密速率。实验结果显示MetaCrypto平台输出的SM4密码算法结果与官方参考文档的测试向量完全相同,验证了其正确性;在实现加/解密速率方面,基于64 Kbit的数据量在x86架构CPU下达到了0.327 Mbit·s^(-1),在ARM架构CPU下达到了0.254 Mbit·s^(-1),在LoongArch架构CPU下达到了0.145 Mbit·s^(-1),与GMSSL-Python实现库基本一致。

基于FPGA的国密算法SM4和ZUC可重构设计

提出了一种SM4和ZUC-256密码的硬件实现方案.首先对两个密码算法进行硬件语言描述,然后构建了两个可重构单元--可重构寄存器和可重构S-box单元,从而在实现两个密码算法的基础上,有效降低了资源消耗,提高了资源利用率.在现场可编程逻辑门阵列(field programmable gate array, FPGA)上进行硬件验证.结果表明,本密码可重构方案中的硬件开销有明显的降低.

流密码框架下的SM4专用认证加密算法

认证加密算法是能同时满足数据机密性与完整性的对称密码算法,在数据安全领域具有广泛应用。针对基于分组密码的认证加密算法的安全性以及效率需求,提出一种基于SM4轮函数的专用认证加密算法SMRAE。算法采用流密码思想,从SM4底层部件出发,结合Feistel结构设计状态更新函数用于轮变换,处理256 bit消息只需调用4个SM4轮函数指令。在初始化阶段将初始向量和密钥经过16轮迭代,使差分充分随机化;利用SM4加密消息,将生成的密文参与轮变换,实现状态更新和加密并行;解密时先进行消息认证,降低时间消耗,提高算法安全性。安全性分析与实验结果表明SMRAE能够抵抗伪造攻击、差分攻击和猜测攻击等主流攻击,效率高于AES-GCM,与SM4效率相当,具备一定的实用性。

基于Transformer的SM4算法工作模式识别

密码算法识别是开展密码设备监管、密码分析等工作的前提,在对现有密码算法识别方案进行总结和分析的基础上,利用K近邻(KNN)算法和随机性检测工具分析SM4分组密码算法不同工作模式下密文识别准确率低的原因。针对现有方案在SM4算法多种工作模式密文混合场景下识别准确率低的现状,证明深度学习应用于SM4分组密码算法工作模式识别问题的可行性,提出一种基于Transformer的SM4算法工作模式密文识别方案。在ECB、CBC、CFB、OFB、CTR工作模式下对文件进行批量加密,密文文件经过数据预处理形成密文数据集,然后输入Transformer模型进行五分类识别。实验结果表明,SM4算法5种工作模式在密文混合场景下识别准确率达到94.94%,证明所提方案可有效提升SM4分组密码算法5种工作模式在密文混合场景下的识别准确率。将密文数据集输入卷积神经网络、循环神经网络、ResNet进行对比实验,结果表明,相较于这3种传统神经网络,基于自注意力机制的Transformer模型识别准确率分别提升18.38、26.96、10.44个百分点。

基于深度学习的SM4密码算法新型区分器

针对大状态分组密码区分器的数据复杂度、时间复杂度和存储复杂度较高的问题,提出了一种建立长分组和长密钥分组密码算法深度学习区分器模型的方法,构建了SM4算法的神经区分器。借鉴密文差分能够提升区分器性能的思想,将密文对之间的部分差异信息作为训练数据的一部分,设计了神经区分器新数据输入结构,采用残差神经网络模型建立神经区分器,对长分组的训练数据集进行数据预处理。同时,针对所构建的区分器存在高特异度和低敏感度的现象,提出了一种模型再学习的改进策略。实验结果表明,基于深度学习的区分器模型获得了9轮SM4神经区分器,其4~9轮区分器的准确率最高可达100%、76.14%、65.20%、59.28%、55.89%和53.73%,所获得的差分神经区分器的复杂度和准确率远优于传统差分区分器,也是目前已知针对SM4密码算法最好的神经区分器,证明了深度学习方法在长分组密码安全性分析上的有效性和可行性。

SM4分组密码算法综述

SM4分组密码算法简称为SM4算法,为配合WAPI无线局域网标准的推广应用,SM4算法于2006年公开发布,2012年3月发布成为国家密码行业标准(标准号为GM/T 0002-2012),2016年8月发布成为国家标准(标准号为GB/T 32907-2016).介绍了SM4分组密码算法的算法流程、结构特点及其密码特性,以及SM4算法的安全性分析研究现状,并与国际标准分组算法的安全性进行了对比.

分组密码算法SM4的低复杂度实现

针对分组密码算法SM4中加解密算法与密钥扩展算法的相似性,提出一种将加解密模块与密钥扩展模块复用的基本架构,通过对具体实现结构的分析与选择,使控制逻辑复杂度、复用模块复杂度以及系统吞吐量之间得到权衡。基于该架构设计SM4加解密IP核,在现场可编程门阵列上占用的资源仅为传统设计的55%,基于SMIC 0.18μm数字CMOS工艺的综合结果显示,仅用0.079 mm2即可实现100 Mb/s的数据吞吐量。实验结果表明,该结构可以有效地降低SM4算法的实现复杂度。

SM4密码算法的唯密文故障分析

SM4算法是我国公布的首个商用密码算法,用于保护WAPI无线局域网标准中的数据传输,2012年成为国家密码行业标准,2021年作为ISO/IEC国际标准正式发布.在唯密文攻击中,攻击者除了所截获的密文,没有其它可利用的信息,因而获取的信息最少、攻击难度较大.目前,国内外未有公开发表的SM4算法抵抗唯密文攻击的结果.本文采用巴氏系数-汉明重量、詹森香农散度-汉明重量和詹森香农散度-汉明重量-极大似然估计等新型区分器对SM4算法实施唯密文故障分析.仿真实验表明,该方法最少仅需要136个随机故障,可以破译SM4算法的128比特主密钥,且在准确度、成功率、耗时和复杂度等方面攻击效果佳.该结果为无线局域网中密码算法的安全性分析和实现提供了重要参考.

SM4算法的差分功耗以及相关功耗分析研究

SM4算法是中国无线局域网产品的分组密码算法。功耗分析由于代价低、攻击效率高,因此对密码算法形成了很大的威胁。以SM4算法为研究对象,STC90C58AD微控制器为硬件仿真平台,采集相同密钥不同明文的SM4密码算法功耗曲线,分别研究了差分功耗分析及相关功耗分析的攻击方法。实验结果表明:使用相关功耗分析,210条功耗曲线可以恢复出第一轮的轮密钥;使用差分功耗分析,3500条功耗曲线可以恢复出第一轮的轮密钥。

针对SM4算法的约减轮故障攻击

提出了一种新型的针对SM4算法的约减轮故障攻击,该攻击在加密算法的后4轮中导入故障,诱导缩减加密算法的迭代轮数,经过对故障数据的简单筛选,最终仅需4个错误密文即可恢复出完整的128 bit初始密钥,从而实现了对SM4的故障注入攻击。利用该方法对无防护SM4算法的能量曲线进行了实际故障注入攻击的实验表明,该攻击方法行之有效,并简化了现有针对SM4的差分故障攻击方法,提高了攻击效率。

一种低功耗抗差分功耗分析攻击的SM4算法实现

128位的SM4算法是我国公布的第一个商用密码算法,主要应用于无线局域网.为了提高算法的抗差分功耗分析攻击能力,SM4算法采用了加法掩码的方法来抵抗一阶差分功耗分析攻击.通过功耗分析攻击实心眼可以发现,加法掩码后的SM4算法能够有效地抵抗差分功耗分析攻击.为了实现一款面积小、功耗低SM4算法硬件电路,SM4S盒硬件电路采用了PPRM结构.在SMIC 0.18μm的工艺库下功耗仿真值为0.74mW@10MHz,PPRM结构的S盒与复合域方法实现的S盒相比功耗减少了70%.

基于SM4轮函数设计的认证加密算法

认证加密算法,作为一种对称密码算法,能够同时保护数据的机密性和完整性,在信息安全领域有着重要作用.现有的认证加密算法大多是基于分组密码的工作模式设计的,底层需要调用全轮的分组密码,效率受到很大限制.本文主要考虑从基本部件出发直接设计一个高效的认证加密算法.首先结合国产分组密码标准SM4与广义Feistel结构给出了一种通用的结构设计.然后以抵抗碰撞攻击为安全性目标,利用混合整数规划(MILP)方法搜索得到了一些状态大小和效率各不相同的结构,这些结构可以被用来构造消息认证码和认证加密算法.最后,利用目前搜索得到的状态大小和效率较优的结构设计了一个认证加密算法,并进行了初步的安全性分析和软件实现,其速度约为SM4-GCM速度的10倍.

多引擎并行CBC模式的SM4算法的芯片级实现

固态硬盘凭借速度快、体积小、重量轻、抗震性强、功耗低等优势,成为新一代电脑硬盘存储产品代表.硬盘信息安全不仅关系到个人隐私、企业密码,更是关系到国家安全.针对固态硬盘的信息安全问题,采用全硬件加密的方式实现国家商用密码管理局颁布的SM4算法,在固态硬盘中实现数据的加密存储,提升了存储数据安全.为了保证电脑硬盘速度不受到加/解密算法的影响,必须解决高速数据流和SM4算法模块的同步加/解密的速度匹配问题.提出了一种多引擎同步工作的方式实现CBC(cipher block chaining)模式的SM4算法,解决了SM4算法在CBC加密模式下存在反馈路径,流水线技术和轮函数合并技术难以在65nm工艺下提高吞吐率的问题.通过FPGA验证,并在国内某半导体生产线65nm工艺上流片实现,结果表明:在250MHz时钟频率下,4个引擎并行的连续读速度为528.8MBps,连续写速度为443.5MBps,满足电脑硬盘SATAⅢ型接口的速率要求.

基于功耗感知隐藏技术的SM4算法S盒的实现

功耗感知隐藏技术(PAH)是一种低功耗的抗功耗攻击方法,用于AES算法的S盒保护显示了安全性和能量效率上的优势.SM4是我国自主设计的专用分组密码算法,在芯片实现中同样需要进行侧信道攻击防护.本文采用PAH技术,设计实现了SM4算法的S盒,设计了适用于SM4算法的补偿方案,并给出了自动化设计实现流程,将PAH技术推广应用到了SM4算法的S盒,版图后仿真结果表明所实现的SM4S盒相对于其它方法功耗延时积降低了76%,安全性达到与AES S盒电路相近的效果,证明了PAH方法的通用性.

扩大故障注入范围的SM4差分故障攻击研究

为了使SM4分组密码的差分故障攻击在现实条件下更容易实现,文中深入研究并分析了可用于SM4差分故障攻击的各种方法。在现有的故障攻击方法基础上,提出了一种将故障注入的范围扩大到加密算法第26轮的攻击方法,解除了以往攻击方法中故障必须注入到加密算法后4轮的限制,达到了扩大可故障注入范围的目的。

基于决策树的SM4分组密码工作模式识别

针对密码体制识别研究缺乏对分组密码工作模式识别的现状,提出一种基于决策树的分组密码工作模式识别方案并应用于国密SM4分组密码算法。在CBC、CFB、OFB、CTR工作模式下对大量文本文件进行加密,得到密文文件,同时构造训练阶段和测试阶段所需要的特征向量空间。在训练阶段通过对特征空间的学习生成决策树,在测试阶段根据生成的决策树进行决策,将决策值与标签值相比较得到分类结果。在训练和测试阶段分别构建混合分类模型、混合文本大小分类模型和一对一分类模型,实验结果表明,混合分类模型和混合文本大小分类模型的分类正确识别率在16%~26%,一对一分类模型的正确识别率高达90%以上。

基于随机性特征的SM4分组密码体制识别

对加密算法的识别是进行密码分析的首要工作。目前的识别方案涵盖了分组密码的识别、流密码的识别以及对称密码和公钥密码混合算法的识别。随着国密算法的应用普及,其安全性也备受关注。针对国密算法提出了基于随机性特征的SM4分组密码体制识别,将国密SM4算法与国际主要标准分组密码算法进行识别。利用随机性测试方法对密文进行特征提取,从而得到特征向量,由这些特征向量构成特征空间,最后借助机器学习算法对特征空间进行训练和测试。实验结果表明,SM4与其他分组密码算法的识别率高达90%以上。后续工作可以对分类算法和特征选取两个方向进行突破,来验证密码识别方案的有效性和可行性。

基于国密SM4和SM2的混合密码算法研究与实现

现代密码技术在保证信息安全中起着至关重要的作用。SM4算法运算速度快,但存在密钥管理复杂并且安全性低的缺点;SM2算法安全性高、密钥管理简单,但存在对大块数据加解密速度慢和效率较低的缺点。提出一种基于SM4和SM2算法的混合加密算法,大量的主体明文数据采用加密速度极快的SM4算法,利用SM2算法加密SM4算法的密钥并和密文一起传输来避免SM4复杂的密钥管理,提高了数据安全性。经理论分析及在同方THD86芯片上的实验验证,该算法方便可行,加密、解密速度快且安全性高,在电子商务和电子政务中的应用具有良好的效果。

SM4分组密码算法可编程实现研究

可编程对称密码引擎SCE提供了大量的密码硬件资源和一套自定义的密码指令集,是针对分组密码算法、序列密码算法和杂凑密码算法快速实现而设计的协处理器。针对SM4分组密码算法的加密结构,分析其涉及的基本运算元素和运算流程,基于SCE提出了常规实现方式和高速实现方式,并使用密码指令集进行了完整实现。结果表明,高速实现方式的加密性能比常规实现方式提高了45.59%,为用户使用SCE实现密码算法提供了提高加解密性能的思路。

SM4分组密码算法在RSSP-Ⅱ铁路信号安全通信协议中的应用

RSSP-II铁路信号安全通信协议是铁路信号领域的安全软件产品。目前,其使用的加密算法为3DES算法,可防护数据在传输过程中的损坏、伪装等安全风险。为实现技术自主可控、增强核心竞争力,提出采用中国国家标准SM4分组密码算法代替既有的3DES算法,并进行仿真和实物测试验证。