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。

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.

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。

基于后量子密码算法的安全SoC芯片设计

后量子密码算法已经成为当前安全领域的研究热点。本文通过对NIST后量子密码算法竞赛候选的Saber算法进行研究,提出一种基于后量子密码算法的安全SoC芯片设计方案。该方案首先分析算法的硬件架构,优化矩阵运算和数值拼接等操作提升硬件效率,采用二次验证方式加强算法解密过程的安全性;然后,设计Hash随机数拓展生成模块、加解密模块和数据存储器以及随机数种子生成器,完成Saber算法的硬件IP核;其次,在RISC V处理器、总线和接口电路的基础上,结合时钟门控技术降低功耗,设计基于后量子密码算法的安全SoC芯片。实验结果表明,所设计的安全SoC芯片面积为2.6 mm^(2),等效逻辑门数为90k,芯片内核面积占比为75.2%,PAD面积占比为24.8%,芯片功耗为9.467 mW。

基于FBR特征的密码算法识别

针对现有的密码算法识别存在密文特征提取不足和识别准确率低等问题,提出一种FBR密文特征提取方法。该方法结合随机性测试中的频率(Frequency)、块内频率(Block Frequency)和游程(Run)三种方法,定义出密文的码元次数统计值、游程次数统计值和块内次数统计值,基于三种统计值构造出FBR特征。实验使用支持向量机对三种混合数据集分别进行密文二分类和多分类实验。实验结果表明,该方法所提取的FBR密文特征对比已有表现良好的密文特征,其平均识别准确率得到较高的提升,充分证明了该方法的有效性。

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。

白盒化Piccolo密码算法的设计与应用

白盒攻击环境下敌手可以完全获取甚至改变密码算法的运行过程,给数据安全带来巨大威胁,目前移动终端、无线传感器网络(WSN)等部分轻量级应用场景均可视作白盒环境。通过改进Piccolo算法的部分结构与迭代方式将其进行白盒化实现,采用自编码查找表,根据给定的映射关系对数据分区进行标记,添加数据标记编码,并结合仿射变换等操作将密钥信息进行隐藏,能够保障较高的查表效率与白盒安全性。经安全性分析与对比,白盒化的Piccolo算法白盒多样性与白盒含混度数值较高,并且可以应对侧信道攻击、代码提取攻击、BGE攻击、MGH攻击、仿射编码恢复攻击等多种密码攻击方式,能在WSN等硬件资源受限的场景下得到良好部署与应用。

密码算法库模糊测试技术研究综述

密码算法库是提供加密、解密、签名、验证等多种密码学相关功能的基础软件库.为了保证网络传输的安全性,很多系统软件都会使用密码算法库来实现数据的隐私性,以确保数据不被恶意窃取利用.但是,密码算法库的实现过程中往往会引入一些漏洞,这些漏洞会导致系统在使用库中的函数时出现内存崩溃或者加密逻辑失效等后果,对系统的安全性和可用性带来极大的影响.模糊测试是一种检测软件实现漏洞的有效技术,它通过生成大量的测试输入,观察被测软件的反馈,进而检测漏洞是否存在.这种技术已经被应用于密码算法库的漏洞检测中,并且发现了包括OpenSSL、SymCrypt、Crypto++等常用的密码算法库中的漏洞.本文通过总结对密码算法库进行高效测试的主要难点,分析了对密码算法库进行模糊测试的核心需求,并提出了密码算法库模糊测试工具所面临的主要挑战.接着,针对目前常用的6款面向密码算法库的模糊测试工具进行了剖析和评估.最后,根据目前的工具在漏洞挖掘能力、代码覆盖率和输入有效性等评估指标上的表现,提出了密码算法库模糊测试未来可能的研究方向和优化策略.

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.

分组密码算法在x64平台上的软件实现速度测试方法研究

密码算法的软件实现速度是衡量其实现性能的重要指标之一。在密码算法的设计和评估工作中,测试密码算法的软件实现速度是一项必不可少的工作。在国内外已有的工作中,关于如何在x64平台上进行密码算法的软件实现速度测试没有形成统一的测试标准。本文以分组密码算法的速度测试为例,研究如何在x64平台上测试密码算法的软件实现速度。首先,我们通过实验分析在x64平台上对密码算法进行软件实现速度测试的过程中容易出现的问题。第二步,我们对目前已有的四种速度测试方法:Matsui速度测试方法,Fog速度测试方法,SUPERCOP速度测试方法和Gladman速度测试方法进行研究,对四种速度测试方法的异同进行比较,分析四种方法中存在的问题。第三步,我们采用理论分析与实验探究相结合的研究方法,研究如何降低速度测试过程中产生的波动性数据对实验结果的影响。我们对速度测试公式选择、样本量选择等问题进行了细致的研究。最终我们给出在x64平台上测试分组密码算法软件实现速度的最小值和平均值的有效方法。应用该方法得到的测试结果是稳定的(测试得到的速度随机性小,结果既不会偏大也不会偏小)、可靠(测试过程取样充分,测试得到的速度是可信的)、高效的(在保证测试结果可靠和稳定的前提下,取样量较小,测试过程耗时较少)。利用本文给出的速度测试方法,我们对AES算法和SM4算法在x64平台上的软件实现速度进行了实际测试。

基于MILP的轻量级密码算法ACE与SPIX的线性分析

研究了轻量级密码算法ACE与SPIX的线性性质.给出了环型与门组合结构精确的混合整数线性规划下的线性性质刻画,并将算法ACE与SPIX的非线性操作转化为环型与门组合.基于此构建了ACE置换与SLISCP置换的混合整数线性规划下的线性模型,求解模型得到了2至4步ACE置换与2至5步SLISCP置换最优的线性迹.证明了7步、12步ACE置换分别达到了128比特与320比特的安全目标,7步、13步SLISCP置换分别达到了128比特与256比特的安全目标.对于任意步数的ACE置换与SLISCP置换,认证加密算法ACE-AE-128与SPIX均能够抵抗明文处理阶段的线性区分攻击.

国产密码算法PKI系统在江西高速联网收费业务中的应用

为了提高业务系统的安全性,同时适应政策法规的要求,更好地满足江西省交通监控指挥中心联网收费业务的需要,设计了新的PKI系统。该系统涵盖各类丰富的密码服务类型,以及经过特殊设计的统一API接口。通过该系统可快速完成各类应用系统商用密码算法的改造工作,且具备较强的性能与较高的扩展性。

MANTIS_(4.5)密码算法的中间相遇攻击

MANTIS密码算法是一种轻量级可调分组密码算法,该算法采用代换—置换网络(Substitution-Permutation Network,SPN)结构和TWEAKEY框架。通过研究MANTIS密码算法结构特点,利用多重集、相关密钥筛选以及密钥桥等技术手段,构造了一个r=3的MANTIS算法的中间相遇区分器。利用此区分器,实现了r=4.5的MANTIS算法中间相遇攻击,攻击的存储复杂度为268个128比特块,数据复杂度为253个选择明文,时间复杂度为2121.8次MANTIS_(4.5)加密。

国产密码算法在信创领域中的研究及应用

随着信息技术的快速发展和全球化进程的加速,信息安全问题日益突出,基于国家安全战略的考虑,我国积极推动信息技术国产化,以降低对外部技术的依赖,提高自主创新能力和国家安全水平。其中,SM密码算法作为国产密码算法的代表,具有较高的安全性和性能优势,成为了国产化信息系统建设中的重要组成部分。本文将对国产SM密码算法在信创中的作用进行研究和分析,并结合实例探讨其应用前景。

Camellia算法更精确的差分和线性安全界

Camellia算法的线性扩散层是8阶字节级(0,1)-矩阵。由于该矩阵的分组较宽且异或项数较多,因此难以建立精确的字节级自动化分析评估模型。目前,仅利用线性扩散矩阵分支数为5的性质评估出的算法得到的差分和线性活跃S盒偏少。针对以上问题,提出了一种基于混合整数线性规划(Mixed Integer Linear Programming,MILP)来建立复杂(0,1)-线性扩散矩阵字节级评估模型的通用方法。该方法利用线性扩散矩阵的内部性质快速且较精确地搜索出Camellia算法的差分和线性活跃S盒,从而能够得到Camellia算法更紧致的差分和线性安全界。该方法对基于(0,1)-线性扩散矩阵设计的密码算法有一定的指导意义,能够更清楚地评估出算法的安全界。

后量子密码算法的软件实现研究

基于公钥密码算法的各类安全技术已经成为了目前网络空间安全的重要基石,在构建信任体系、保护传输安全、身份鉴别等方面发挥着举足轻重的作用.然而,利用Shor算法,量子计算机可以在多项式时间内破解RSA、ECC等当前主流公钥密码体制所依赖的数学困难问题.随着量子计算技术的发展,这一安全威胁日益迫近,所以学术界和工业界都致力于研制抵御量子计算机攻击的公钥密码体制.NIST后量子密码标准化项目是目前最具代表性的项目之一,它于2017年征集了数量众多、种类多样的后量子密码方案,目前已产生阶段性结果.除了算法安全性分析之外,各后量子密码算法的软件实现性能也是该项目评价其优劣的重要指标之一.本文围绕六类主要的后量子密码算法,以密码算法软件实现的视角,详细分析了每一类的代表方案及其主要计算负载、优化算法以及软件实现特点;并基于x86和ARM平台,全面梳理和总结了各文献中提出的、特定类型算法的加速技术和通用优化方法.

国产密码算法标准在交通一卡通智慧出行领域的实践

为构建以国产密码为主要支撑的交通一卡通信息安全保障体系,遵循SM系列国产密码算法等网络安全国家标准的核心内容,将国产密码算法应用于交通一卡通互联互通智慧出行领域。通过对交通一卡通业务所涉及的各类系统、终端、用户端等方面进行国产密码算法的升级建设,进行国产密码的终端、用户卡等设备的量产和应用,建立了国产密码的支撑体系,提升了交通一卡通各相关系统的安全能力,为交通一卡通领域的高质量发展奠定了基础。

基于量子Simon算法对分组密码类EM结构的密钥恢复攻击

文章基于量子Simon算法(一类经典量子周期寻找算法)的量子过程以及应用,对类EM结构进行基于量子Simon算法的密码分析,以类EM结构的加密算法为研究对象,运用量子Simon算法,构造适用于Simon算法的函数,对类EM加密结构的5轮加密过程进行密钥恢复攻击。结果显示,在密钥长度的多项式时间内,文章所提方法可以成功恢复出第五轮加密密钥,且根据此密钥可以分析出其他轮密钥。研究结果表明,在密钥长度的多项式时间内,可以找到其中一个密钥,量子条件下密钥的可恢复性说明该结构的安全轮数应当高于5轮,为未来对称密码体制的研究和发展奠定了一定的基础。

轻量级分组密码算法FBC的积分分析

FBC算法是由冯秀涛等人于2018年在中国密码学会举办的全国密码算法设计竞赛中提出的轻量级分组密码算法,包含FBC128-128、FBC128-256和FBC256-256三个版本,具有轻量化、安全性高和软硬件实现灵活等特点.本文基于比特可分性和MILP方法搜索FBC算法的积分区分器.首先,将FBC算法的轮函数拆分为S盒、复制和异或等基本运算,根据比特可分性在基本运算中的传播规律,构建线性不等式刻画比特可分性的传播;其次,通过将所得线性不等式组作为约束条件,构建MILP模型寻找积分区分器最高轮数的下界,并提出判断r轮积分区分器是否存在的算法;最终,结果表明FBC128-128/256和FBC256-256的积分区分器轮数可分别达到11轮和14轮,均优于现有积分分析结果.

唯密文场景下的分组密码算法识别方法

唯密文场景下的分组密码算法识别方法研究,旨在探讨在仅知道密文的情况下,如何有效地识别出所使用的分组密码算法,这一问题的研究对于提高加密系统的安全性具有重要意义。通过对随机序列随机性检测方法的研究,基于集成学习模型构建了识别模型,实现了唯密文场景下的分组密码算法识别技术,可以有效提取密文数据特征,经实验验证,识别效果优于现有方法。