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。

分组密码算法uBlock积分攻击的改进

积分攻击是由Daemen等人(doi:10.1007/BFb0052343)于1997年提出的一种密码分析方法,是继差分分析和线性分析之后最有效的密码分析方法之一。作为2018年全国密码算法设计竞赛分组算法的获胜算法,uB-lock抵抗积分攻击的能力受到较多的关注。为了重新评估uBlock家族密码算法抵抗积分攻击的安全性,该文利用单项式传播技术,结合混合整数线性规划(MILP)工具搜索积分区分器,并利用部分和技术进行密钥恢复攻击。对于uBlock-128/128和uBlock-128/256,基于搜索到的9轮积分区分器分别进行了首个11轮和12轮攻击,数据复杂度为2~(127)选择明文,时间复杂度分别为2~(127.06)和2~(224)次加密,存储复杂度分别为2~(44.58)和2~(138)字节;对于uBlock-256/256,基于搜索到的10轮积分区分器进行了首个12轮攻击,数据复杂度为2~(253)选择明文,时间复杂度为2~(253.06)次加密,存储复杂度为2~(44.46)字节。与之前uBlock的最优积分攻击结果相比,uBlock-128/128和uBlock-256/256的攻击轮数分别提高2轮,uBlock-128/256的攻击轮数提高3轮。本文的攻击说明,uBlock针对积分攻击依然有足够的安全冗余。

分组密码FBC的截断差分分析

为了促进密码算法的设计和实现,中国密码学会(CACR)于2018年举办全国密码算法设计竞赛,其中FBC算法是晋级到第二轮的十个算法之一.FBC有三个版本,即FBC128-128、FBC128-256和FBC256-256,分别能够支持128比特和256比特长度的明文和密钥.FBC算法采用4路两重Feistel结构设计,便于硬件实现.本文利用中间相遇的截断差分构造方法,针对FBC加密算法,为FBC-128算法构造了11轮概率为2^(-108)的截断差分路线,基于该区分器,对FBC-128算法第一次给出15轮密钥恢复攻击,其中攻击的数据复杂度为2^(99)选择密文,时间复杂度是2^(100)次15轮加密,比已有的分析结果提高了3轮.对于256比特分组长度的FBC-256算法构造了15轮概率为2^(-236)的截断差分路线,基于该区分器,对FBC-256算法给出了20轮密钥恢复攻击,攻击的数据复杂度为2^(227)选择密文量,时间复杂度是2^(222.6)次20轮加密.

万物网中轻量级可调分组密码QARMA的统计故障分析

基于唯密文攻击(ciphertext-only attack,COA)假设,提出了能够破译万物网(Internet of Everything,IoE)中QARMA密码算法所有版本的统计故障分析(statistical fault analysis,SFA)。针对调柄的不确定性,利用多种分析策略有助于将故障注入更深的轮数。为了提高分析效率,提出了两种新型区分器:克米试验—汉明重量区分器(Cramér-von Mises test-Hamming weight,CM-HW)和柯伊伯检验—极大似然估计(Kuiper’s test-maximum likelihood estimation,KT-MLE)区分器。试验结果表明,攻击者仅需将374个或者726个随机故障分别注入到两个版本的QARMA密码的倒数第三轮,即可以99%的可靠度恢复其128比特或者256比特子密钥。综上所述,在万物网的应用环境中,QARMA容易受到统计故障分析的影响。研究结果可为具有反射结构的轻量级可调分组密码和密码设备的保护提供参考。

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.

复杂电力物联终端多维数据的轻量级分组密码算法设计

为提高抗攻击性能,设计复杂电力物联终端多维数据的轻量级分组密码算法。利用STCS混沌映射生成轻量级分组密码算法核心部件S盒,设计算法核心部件P盒,基于广义Feistel结构的轻量级分组密码算法,将复杂电力物联终端多维数据分成四个相同数据子块后,利用1个P盒实现S盒混淆层16比特输出结果的线性变换,实现多维数据的轻量级分组加解密。实验结果表明,该密码算法具有较高的密钥敏感性,非加密密钥无法实现电力物联终端多维数据的正确解密;最大安全强度可达到90.8%,2 048长度数据加密仅需16 ms,且具有抗攻击性能。

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。

基于分组密码的加密域图像可逆信息隐藏算法研究与实现

提出一种基于SM4分组密码和直方图平移的信息隐藏算法的加密域可逆信息隐藏算法,首先使用SM4分组密码对载体图像进行预处理,然后使用基于分块和密钥的直方图平移算法在加密后的载体图像中嵌入秘密信息;提取时先将图像进行分块处理,接收密钥后提取秘密信息,进行直方图逆向平移,最后进行解密操作。经过实验验证,算法符合实际应用中对嵌入秘密信息后图像的要求,并且能够正确提取秘密信息、解密恢复原始载体图像,在数据的隐蔽传输和个人信息保护领域具有较好的应用前景。

LBlock分组密码代数旁路攻击

对轻型分组密码LBlock抗代数旁路攻击安全性进行了评估.给出了LBlock密码算法的代数方程表示方法,使用示波器采集微控制器ATMEGA324P上的LBlock实现功耗泄露,利用泊松相关系数方法推断加密中间状态汉明重,基于可满足性问题并转化为代数方程组,同LBlock密码算法代数方程联立,最后使用CryptoMinisat解析器进行方程组求解,成功恢复加密密钥.实验结果表明:微控制器上的LBlock实现易遭受代数旁路攻击,仅需一条功耗曲线,已知明密文下的3轮汉明重泄露、未知明密文条件下6轮汉明重泄露分别经2.4s和0.4s分析即可恢复80bit完整密钥.

对轻量级分组密码算法LBlock的差分故障攻击

本文首先分析差分故障攻击的故障模型与原理,利用S盒的差分不均匀性,通过建立输入差分、输出差分和可能输入值之间的对应关系,给出差分故障分析的优化方案,实现快速归约,提高差分故障攻击的效率.本文通过对LBlock算法建立对应关系,可以快速直观缩小输入值取值空间,进而快速确定对应扩展密钥.对于不同故障值(输入差分),对应的输出差分和可能输入值均不相同,可以得到二元关系集合.由于轻量级分组密码S盒多为4×4 S盒,该集合中元素较少,注入少量不同故障值,通过查表,对可能输入值取交集即可快速确定唯一可能输入值.将优化方案应用于LBlock轻量级分组密码算法,在最后一轮输入处注入2次宽度为16 bit的故障可恢复最后一轮轮密钥,然后将状态回推一轮,在倒数第二轮输入处注入2次宽度为16 bit的故障可恢复倒数第二轮密钥.根据密钥扩展方案,恢复两轮轮密钥后将恢复主密钥的计算复杂度降为2^(19).

混沌密码理论研究与应用新进展

混沌密码研究主要包括混沌序列密码、混沌分组密码和混沌公钥密码。混沌序列密码具有软硬件实现简单、加解密处理速度快、没有或只有有限的错误传播等特点。混沌序列密码的设计方面研究成果极为丰硕,但其安全性分析一般停留在统计性验证分析阶段,而对可证明安全性或其他有条件安全性的证明和分析很少,因此证明混沌序列密码的安全性已成为该领域亟需填补的空白。混沌分组密码的研究颇为成熟,但其整体结构一般受限于Feistel结构、SPN结构、Lai-Massey结构及其变形结构。因此,构建突破传统结构的创新性密码架构成为混沌分组密码亟待解决的关键问题之一。混沌公钥密码的研究相对薄弱,利用混沌系统特有的密码特性和公钥密码系统相结合的混沌公钥密码算法不仅具有理论研究意义,而且具有实际应用价值。混沌系统也被广泛应用于通信传输、语音加密、图像加密和扩频通信等保密通信领域。电、光混沌系统实现简便,其计算复杂性不会随着密钥空间的增大而明显增大,能够为无线通信、物理层链路安全、应用层数据安全等不同场景提供安全保护。

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。

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.

缩减轮的超轻量级分组密码算法PFP的不可能差分分析

基于Feistel结构的轻量级分组密码算法PFP适用于物联网终端设备等资源极端受限环境。目前对PFP算法不可能差分分析的最好结果是利用7轮不可能差分区分器攻击9轮PFP算法,这样可恢复36 b的种子密钥。为了更准确地评估PFP算法抵抗不可能差分分析的能力,对PFP算法结构进行研究。首先,通过分析轮函数中S盒的差分分布特性,找到了概率为1的两组差分;其次,结合置换层特点,构造出一组包含16条不可能差分的7轮不可能差分区分器;最后,基于构建的7轮不可能差分区分器,对9轮PFP算法进行不可能差分分析以恢复40 b种子密钥,并提出对10轮PFP算法的不可能差分分析方法来恢复52 b种子密钥。结果表明,所提方法在区分器数量、分析轮数、恢复密钥比特数等方面均有较大改善。

基于机器学习的分组密码结构识别

加密算法的识别与区分是密码分析领域的重要组成部分,是密钥恢复技术的前提条件之一,随着人工智能技术的不断发展,利用机器学习、神经网络等技术研究密码分析问题日趋成熟,这为实现以加密算法为代表的密码体制识别技术提供了有效的思路与启发。通过研究机器学习的基本原理,从理论和实验两个角度对Feistel和SPN结构的多种常见分组密码算法进行了识别实验,解决了随机密钥条件下利用未知密文识别分组密码加密结构的问题。引入游程分布指标、特征分布函数和KL散度等概念,通过分析两种分组密码结构加密后的密文特征分布,推导随机密钥条件下两种结构密文游程分布表达式,利用KL散度计算分布的差异性,证明两种结构密文间存在差异性,论证了实验的可行性;根据理论结果,建立了随机森林和Adaboosting2种机器学习模型,对12种分组密码算法在随机密钥条件下全轮加密后的密文提取密文游程分布指标,按照同种结构单一算法和同种结构混合算法两种标准对不同结构分组密码算法进行了识别。实验结果显示,两组实验中对各个具体算法的结构识别准确率高于80%,较已有工作提高40%左右,有效解决了随机密钥情况下分组密码结构识别问题,严格证明了两种分组密码结构之间在密文扩散性、分布关系上确实存在可区分的差异性,也为密码算法设计和安全性评估提供一定的参考。

轻量级分组密码Lblock算法的Nibble积分攻击

Lblock算法是2011年提出的一种轻量级分组密码密码算法,在有限的环境下得到广泛使用.积分攻击是一种有效的密码分析方法,对于Lblock算法的基于比特的积分攻击,可以先构建8轮区分器,再向前做4轮高阶积分扩散,然后在积分区分器后加上5轮做17轮积分攻击,但是攻击轮数较少,且攻击复杂度较高,本文是在基于字节的积分攻击也是首先构建8轮区分器,再向前做6轮高阶积分扩散,构造14轮区分器,在积分区分器后面加7轮,猜测部分密钥,对其进行解密,做21轮积分攻击,时间复杂度降低.然后结合不同的对Lblock算法的攻击方法,对其进行比较,积分攻击在尽可能多的轮数下,时间复杂度降低.

两类动态密码结构抵抗不可能差分和零相关线性能力评估

动态密码的设计与分析是当前密码学领域研究的热点.本文针对类CLEFIA动态密码结构和四分组CLEFIA变换簇抵抗不可能差分和零相关线性分析的能力进行评估.当两类动态密码结构的轮函数为双射时,通过研究密码组件的可交换性质,证明了这两类动态密码结构各自置换等价于标准静态密码结构.利用建立的置换等价关系,通过构造静态密码结构不可能差分和零相关线性区分器,证明了4n轮类CLEFIA动态密码结构所有结构均存在8轮的不可能差分和零相关线性区分器,证明了4n轮四分组CLEFIA变换簇所有结构均存在9轮的不可能差分和零相关线性区分器.

分组密码最小活跃S盒个数快速搜索算法

为了解决密码设计中最小活跃S盒个数的快速计算问题,研究了扩散层的差分和掩码传播性质,提出了一种计算最大距离可分(MDS)矩阵和二元域矩阵的差分/掩码模式分布表的方法,并证明了所提方法计算复杂度的下界。基于扩散矩阵的差分/掩码模式分布表,提出了一种快速搜索分组密码最小活跃S盒个数的算法,将其用于代入置换网络(SPN)型分组密码,找到了LED、SKINNY、CRAFT和FIDES的全轮最小活跃S盒个数。

轻量级分组密码算法综述

随着信息技术的快速发展,人类将进入万物互联时代,数以亿计的物联网设备接入网络,针对用户隐私、网络环境等的网络攻击持续增长。因此,保障物联网设备的信息安全至关重要。由于物联网设备的计算能力、电池容量和内存等资源十分受限,传统的分组密码算法不适用于具有低时延、低功耗等要求的物联网设备,轻量级分组密码算法应运而生。文中概述了轻量级分组密码算法的研究现状及进展,并根据算法结构将其分成6类进行详细阐述;依据多维度评价指标分别对轻量级分组密码算法的软硬件实现进行综合对比与分析,并从安全性、资源开销和性能3方面进行深入探讨;最后展望了轻量级分组密码算法的未来研究方向。