两类广义Feistel结构的零和区分器构造

由于Feistel结构具有良好的密码学性质,它的变体——许多广义Feistel结构也成为密码算法设计者乐于选择的对象,其中由郑玉良等人设计的type-2和type-3广义Feistel结构被许多分组密码算法和密码杂凑函数所采用.所以,对这两种广义Feistel结构进行安全性分析非常必要.伪随机性是一个结构的重要安全性指标,而自2007年Knudsen和Rijmen提出了"已知密钥区分器"开始,利用构造已知密钥区分器来分析算法与结构的伪随机性逐步成为人们常用的手段.本文对type-2和type-3广义Feistel结构的积分性质进行深层挖掘,同时利用高阶积分性质与积分传播性质,将高阶积分路径与单活跃字起始的积分路径串联,分别构造这两种结构的中间起始积分区分器,即零和区分器.我们以23N/4的复杂度得到了type-2广义Feistel结构的15轮零和区分器,其中正向部分包含8轮,逆向部分包含7轮;并以同样的复杂度得到了type-3广义Feistel结构的10轮零和区分器,其中正向部分包含6轮,逆向部分包含4轮,这里N表示状态的大小.此外,我们还得到了一些低复杂度的结果,分别以2N/2和2N/4的复杂度得到了type-2广义Feistel结构的13轮和11轮零和区分器.

基于Feistel结构的超轻量级分组密码算法(PFP)

面向无线终端资源受限环境对加密算法的应用需求,借鉴PRESENT算法的设计思想,采用Feistel结构,并修改扩散层的P置换,设计了一种超轻量级分组密码算法PFP。其硬件实现需要1355GE,优于PRESENT算法,满足资源极端受限环境的需求(2000GE以下)。速度测试结果表明,PFP算法的软件实现效率约为PRESENT算法的1.5倍。依赖性测试、线性分析、差分分析、不可能差分分析和密钥编排攻击表明,PFP算法满足轻量级分组密码的安全需求。

基于Feistel结构的混沌密码算法

对经典的二维Hénon映射的混沌和密码学特性进行了详细的分析,并与传统密码学中广泛使用的Feistel结构进行了比较研究.在此基础上,提出一种新的不平衡的Feistel结构,并设计出一种基于该结构和Hénon映射的混沌密码算法.理论分析和实验表明,该算法具有较高的安全性,能够抵抗差分和线性密码分析.

基于混沌和改进广义Feistel结构的轻量级密码算法

随着物联网的快速发展,无线网络传感器、射频识别标签以及工业控制器等被广泛部署,这些资源受限设备的安全同样需要保障,而传统的密码算法需要消耗大量的资源,不适用于资源受限设备。针对以上问题,文章提出一种轻量级分组密码。S盒是分组密码的关键性组件,通过应用两个混沌映射和跳跃蜘蛛优化算法构成的多目标优化算法生成并优化得到非线性度平均值为110,线性逼近概率为0.1172,差分逼近概率为0.0391的S盒。文章对广义Feistel结构进行相应改进,改进后的结构一次能够处理所有的中间状态,不存在未处理的分支,并结合构造的S盒、密钥扩展算法等,组成分组长度为64位、种子密钥长度为80位、迭代轮数为12轮的轻量级分组密码算法。该算法的等效门电路数量符合轻量级的标准,并且有良好的性能。

一种基于Feistel结构和WTS的分组密码

AES为新的数据加密标准,通过研究分组密码算法加密的整体结构和AES加密算法,文中设计了一种基于Feistel结构和WTS策略的分组密码算法FWTS。FWTS采用Feistel结构,轮函数借鉴AES的WTS策略,分组长度为256 bits,密钥长度为128 bits,192 bits,256 bits。通过依赖性测试表明,FWTS算法4轮充分满足雪崩效应、严格雪崩准则和完备性。通过不可能差分分析,FWTS算法的6轮不可能差分所需的时间复杂度要大于AES算法的6轮不可能差分的时间复杂度。FWTS算法的安全性不低于AES算法。通过效率测试表明FWTS的加密效率要高于AES。

基于Feistel结构的混沌密码编码算法

本文讨论了混沌映射与密码编码算法间的相似性和区别,研究了将实数集实数映射成有限集整数的方法。该文在传统的Feistel结构算法基础上提出了一种基于混沌的128位密钥的分组混沌密码算法,用混沌映射实现了密码中非线性变换。

基于混沌的双模块Feistel结构高速分组密码算法设计

本文采用单向耦合映像网络时空混沌系统生成混沌序列,使用同一个时空混沌序列的不同部分产生S盒和密钥流。提出基于双模块结构设计密码算法,将混沌加密过程分离为两个过程,第一个模块--算法非线性模块等由时空混沌在通信开始之前生成,产生加密过程需要的密钥流、置换盒和S盒等。第二个模块--加解密操作模块,即通信加密模块所需的组件(扩散密钥流、S盒甚至操作符等)组成的现代密码算法,本文给出了一种基于混沌的双模块Feistel结构高速分组密码算法(Cliaos+Feistel+Encryption algorithm,CFE),提出的算法具有结构简单、加密轮数少、高速性、高灵活性、高扩展性、高效率和实用性强的特点。

一类广义Feistel结构的安全性分析

广义Feistel结构(以下简称GFS)的形式多种多样,广泛应用于分组密码设计。论文定义了一类GFS为GFSRP,研究了整体结构为GFSRP-SP结构(GFSRP的F函数是SP型结构)的分组密码的性质。考虑到实际应用,论文给出一个4子块的GFSRP-SP结构的实例,并通过建立搜索算法,得到了更精确的活动S盒个数的下界。结果表明,4子块的GFSRP-SP结构具有较好的抵抗差分攻击与线性攻击的能力,可应用于分组密码设计。

非平衡Feistel结构密码算法的不可分辨性

为研究不可分辨性对分组密码算法实际保密强度的影响,以国密SMS4分组密码算法使用的非平衡Feistel结构为对象,构建了以区分器为核心的结构模拟器;通过对非平衡Feistel结构迭代特性的考虑,结合形式化证明方法,对非平衡Feistel结构的最小安全边界及其与不可分辨性之间的关联进行了研究和分析。结果表明:以SMS4为代表的非平衡Feistel结构在确保安全强度的前提下,最小能够约简至18轮迭代结构,且该约简结构与随机结构置换具备不可分辨性。

基于广义Feistel结构的分组图像加密算法

为了提高加密信息的安全性等要求,提出了一种广义拟feistel结构分组加密算法。首先利用三角混沌映射产生混沌序列并将明文分块,然后将三角混沌映射和灰度扩散机制相结合依次对明文进行替换,最后将三角混沌作为密钥用于广义拟feistel结构分组加密算法对替换后的明文加密。通过对加密后图像相邻像素所对应的共生矩阵特性分析表明,加密图像具有良好的空间随机均匀分布特性。

Feistel结构的8比特轻量化S盒

轻量化S盒作为轻量级对称密码算法的混淆部件,是设计轻量级对称密码算法的关键。提出一种新的8比特轻量化S盒设计方法,其单轮逻辑运算仅涉及4个单比特逻辑与运算和4个单比特逻辑异或运算,迭代4轮后密码性质可达到差分均匀度为16、非线性度为96。与目前已有轻量化S盒设计方法相比,新的8比特轻量化S盒设计方法在硬件实现资源小的同时达到了已知最优的差分均匀度和非线性度等密码学指标,解决了之前8比特轻量化S盒差分均匀度和非线性度等密码性质弱的问题。

一种基于混沌映射与S盒的Feistel结构图像加密算法

计算机网络的发展和数字信息的多样化对信息保密技术提出了新的要求,人们在已有的加密算法的基础上开始着手研究新的加密方法以满足不同类型数据的保密要求。针对图像数据将分组密码学中的交替结构首先引入到基于混沌映射的图像加密系统中,采用混沌映射进行像素的置换和扩散,将动态S盒用于像素替代,两种操作交替执行。在每一轮加密中,通过简单的密钥扩展产生多个子密钥,分别用于不同的子加密过程。最后,理论分析和仿真结果表明,该加密算法具有严格的雪崩效应,且扩散性能和扰乱性能理想,能够有效地抵抗差分、统计分析和选择性明文攻击。

使用压缩函数的非平衡Feistel结构的伪随机性和超伪随机性

从可证明安全的角度研究使用压缩函数的非平衡Feistel结构(UFN-C)的安全性,证明了k+1轮UFN-C是伪随机的,k+2轮UFN-C是超伪随机的;进一步地,探讨了UFN-C的有效构造,降低了Naor和Reingold在1999年文章中类似结构对伪随机函数个数的要求.最后,针对一类具体的UFN-C——SMS4,分析其广义形式SMS4-like结构的伪随机性和超伪随机性,为设计与使用该类结构的分组密码提供了可证明安全的理论依据.

基于扩展Feistel结构S盒的构造分析

利用3轮平衡的Feistel结构和3轮平衡的MISTY结构构造8×8的S盒,结构内部的3个轮函数选择G.Leander仿射等价的16类最佳4×4的S盒代表元,然后对所有生成的8比特S盒,通过差分均匀度、线性度、雪崩性、代数次数及项数这些指标进行刻画。分析结果表明,利用Feistel结构比MISTY结构构造的S盒在差分均匀度这个指标上更好,而其它指标上没有显著差别。

基于超混沌序列的Feistel结构图像加密算法

为了更好地将传统的Feistel加密结构应用在图像加密中,将加密与混沌系统结合起来,在混沌图像加密的基础上,提出了一种基于超混沌序列和Feistel结构的图像加密算法。首先应用Kawakami映射产生的混沌预处理加密序列,对图像进行预处理加密;然后将Logistic映射生成的初始值代入Hyperhenon映射产生加密序列,由产生的混沌加密序列作为Feistel加密结构的S盒;最后,利用Feistel结构对图像进行加密。仿真加密算法的同时对算法的加密效果和安全性进行了分析,实验结果表明,该算法具有较高的稳定性、安全性和加密效率。

一种基于Feistel结构的混沌分组密码的抗差分密码攻击分析

混沌系统具有良好的伪随机性、混频特性、对初始状态的敏感性、复杂的映射参数等特性,这些特性与密码学要求的产生伪随机信号、混乱和扩散、加解密密钥的难以预测等属性是十分吻合的。因此近些年来,不少学者提出了多种基于混沌理论的密码算法,但对其安全性大多草草一笔带过,并没有详尽的安全性分析。本文针对一种较新的基于Feistel结构的混沌分组密码,应用不可能差分的分析方法,分别在固定S盒、动态S盒两种情况对该算法进行了分析。分析结果表明,相比较于传统分组密码,该混沌分组密码能够更有效的抵抗差分密码攻击。

3,4轮Feistel结构的量子分析

Feistel结构是分组密码中一类重要结构。Feistel结构的安全性与它和随机置换的可区分性密切相关。文章提出了区分3,4轮Feistel结构和随机置换的有效量子算法。该算法相对此类问题实现了查询次数的指数加速,为思考量子计算条件下经典密码体制的安全性提供了新的思路。

改进的广义Feistel结构轻量级分组密码算法

随着复杂环境信息物理系统的更加开放,数据的安全传输问题备受关注.轻量级分组密码算法是保证信息物理系统数据安全传输的重要方法之一,但其仍存在软件实现速率低、硬件实现复杂和灵活性缺乏等问题.针对上述问题,提出了一种基于四分支的广义Feistel结构的高性能轻量级分组密码算法.相较于传统的广义Feistel结构算法,该算法进行了以下优化:1)采用由模加、循环位移和异或3种操作组合成的ARX(modular addition,rotation and XOR)结构替换传统广义Feistel结构中的S盒(非线性替换层)和P盒(线性置换层),简化了算法的轮函数结构;2)增加非对称双子密钥以处理每轮加密的明文中间状态,使得中间状态不存在未处理的分支,提高了算法的安全性;3)设计了可扩展的轮常数加模块,提高了算法的灵活性;4)分支中增加混淆扩散结构f_(x),加快了算法的混淆和扩散速度;5)灵活设计了6个版本的轻量级分组密码算法,以适应不同位数的CPU平台.实验和分析表明,该算法实现效率高,具有良好的混淆和扩散能力,以及较高的安全性.

一类扩展广义Feistel结构的活动轮函数个数的下界

扩展广义Feistel结构是近期提出的一类分组密码结构,为评估该类密码结构的安全性能,对4分组扩展广义Feistel结构抵抗差分密码分析的能力进行了详细的研究.在轮函数为双射的假设条件下,给出了任意轮差分特征中活动轮函数个数的下界.

Type-3型广义Feistel结构的中间相遇攻击

Feistel结构是设计迭代型分组密码的几种主流结构之一,其安全性分析受到了广大密码研究人员的关注.在Feistel结构的基础上,又发展出多种Feistel结构的衍生结构.郑玉良等人于1989年提出了Type-1、Type-2和Type-3型三类广义Feistel结构,其继承了Feistel结构加解密相似性的优点且各有特点.董乐等人于2017年利用中间相遇攻击的方法分析了3分支的Type-1型广义Feistel结构.邓元豪等人在Inscrypt 2017上给出了d (d>=4)分支Type-1型广义Feistel结构的中间相遇攻击.对于Type-2型和Type-3型广义Feistel结构,尚未有学者给出通用密钥恢复方案.本文给出了Type-3型广义Feistel结构的一类特殊差分,发现在该差分模式下差分特征的所有可能值小于理论上的最大值,从而构造了区分器.对于分组规模为n比特,且含有d个分支的Type-3型广义Feistel结构,我们利用该性质构造了d+1轮中间相遇区分器.通过在区分器头部添加1轮,我们给出了Type-3型广义Feistel结构的d+2轮密钥恢复攻击,恢复了第一轮全部d-1个轮函数的子密钥.攻击的数据复杂度为2n/2个选择明文,存储复杂度为2^((d-1)n/d)个分组,每个分组n比特,时间复杂度为2^((d-1)n/d)次加密.该攻击方法是已知的对Type-3型广义Feistel结构最好的密钥恢复攻击结果.本文的攻击方法在密钥规模kn时有效.