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基于蚁群算法的聚类区分器设计研究

基于蚁群算法的聚类区分器设计研究

作者：李俊杰电子科技大学

学位级别：硕士

在数据挖掘领域,聚类分析是一种从大数据集中寻找信息的有效方式。聚类分析被广泛地应用于各种领域,作为信息发现提供信息支持。蚁群算法是模拟蚂蚁觅食过程,寻找到食物源的最短路径的现象,对该现象进行建模得到的智能算法,具有较好的... 详细信息

在数据挖掘领域,聚类分析是一种从大数据集中寻找信息的有效方式。聚类分析被广泛地应用于各种领域,作为信息发现提供信息支持。蚁群算法是模拟蚂蚁觅食过程,寻找到食物源的最短路径的现象,对该现象进行建模得到的智能算法,具有较好的健壮性,能够用于解决大规模的复杂性问题。文章首先对聚类分析的发展进行了回顾,对聚类分析进行了介绍和总结,详细介绍了不同的聚类算法以及主流聚类算法所使用的相似度量准则。分析了智能算法在聚类分析中的发展和应用,总结了两种基于蚁群聚类算法模型:基于觅食行为聚类模型和蚁堆聚类模型。详细分析了两种聚类模型的方案,并提出将其应用到功耗分析攻击领域。功耗分析攻击是安全领域一个重要的分支,文章对该领域的产生发展进行了概括和总结,并梳理了区分器发展的主要脉络,介绍了包括功耗产生原理,以及典型的区分器原理,如DPA(Differential Power Anlysis),CPA(Correlation power analysis),MIA(Mutual information Anlysis)等。为了更好的应用基于蚁群聚类算法,文章详细介绍了功耗分析原理。详细分析了各种区分器之间内在联系,探索使用蚁群聚类算法构建区分器的可能性。文章基于软件实现的对AES‐128算法的功耗信息进行分析,提出了基于蚁群聚类算法区分器构造的主要思想和流程。根据数据相关性,即相同数据带来相同的功耗泄露,利用基于蚁群聚类方法对功耗信息进行聚类。接下通过猜测密钥值,对聚类结果集中中间变量的数据特征进行统计,得到统计图,如果当前猜测正确那么在统计图上可以得到明显的特征。通过实验说明,即使在噪声较大情况下,聚类成功率较低(如60%聚类正确),攻击者仍然能以100%概率恢复出正确密钥信息。表明该方法在抗噪声方面,具有一定优势。通过实验分析说明,该方法不仅仅局限于文章提出的方案。能够结合功耗泄露模型进一步优化区分器的构造。如果攻击者在聚类时,依据中间变量汉明重量进行聚类,在降低聚类数目的情况下,仍然能够恢复正确密钥信息。该方案与传统的区分器相比,如DPA和CPA,能够利用多点信息泄露的优势。同时,还对基于蚁群聚类算法的区分器下一步工作进行了展望,包括如何进一步提出防护方案使得加密算法更加安全等。最后,对本文中所有工作进行了总结。

关键词：数据挖掘聚类分析蚁群算法旁路攻击功耗分析区分器

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分组密码的新区分器自动搜索技术研究

分组密码的新区分器自动搜索技术研究

作者：王红艳桂林电子科技大学

学位级别：硕士

分组密码属于对称加密体制,在网络与信息安全等领域一直发挥着重要的作用。密码分析技术能更有力地推进分组密码算法设计的创新,因此一直是近年来的研究热点。统计类密码分析的基本思想是通过寻找密码算法的有效区分器,并在区分器的基础... 详细信息

分组密码属于对称加密体制,在网络与信息安全等领域一直发挥着重要的作用。密码分析技术能更有力地推进分组密码算法设计的创新,因此一直是近年来的研究热点。统计类密码分析的基本思想是通过寻找密码算法的有效区分器,并在区分器的基础上,利用密钥恢复技术来得到算法的完全或部分密钥。通常而言,区分器轮数的高低是衡量密码算法安全性的一个重要条件。本文主要利用混合整数线性规划(MILP)、自动化搜索技术以及密钥恢复技术等,对五个分组密码算法构造了新型有效的积分区分器,进而从多角度来评估这些算法的安全性。主要研究成果如下:1.针对ANU和ANU-II算法,分别提出9轮和8轮新积分区分器的自动化搜索方法。利用ANU密码算法的轮函数、S盒以及P置换的特性,构建了基于可分性质的MILP新模型,搜索到长达9轮的积分区分器。类似地,针对基于ANU改进的密码算法ANU-II,利用其结构特性构建了MILP模型,搜索到长达8轮的积分区分器。研究结果表明:ANU-II算法具有较高的安全性,为评估该类算法提供了重要的参考依据。2.针对Li Ci和ESF算法,分别提出12轮和9轮新积分区分器的自动化搜索方法。利用Li Ci算法的具体特点,我们对其结构进行变形和分解,提出了一种新的Li Ci算法的等价结构。等价结构不仅明确了分析思路,而且在进行MILP建模时,也减少了所涉及到的中间变量。ESF算法是LBlock算法的改进版本。该算法采用Feistel-SP结构,轮函数是其核心设计,且基于比特级的P置换类似于PRESENT算法。针对以上两种算法的具体结构特性,构建了基于可分性质的MILP新模型,分别给出了Li Ci和ESF算法长达12轮和9轮积分区分器。与已有结果相比较,新发现的区分器轮数是目前最好的。3.给出GRANULE算法12轮的基于可分性质的的积分分析。通过选取特定的8轮区分器,并在此基础上向后增加4轮,提出了12轮GRANULE算法的密钥恢复攻击方案。该分析所需时间复杂度约为2,数据复杂度约为2个选择明文。与已有攻击方法相比较,新攻击在轮数和攻击复杂度方面均是最优的。

关键词：分组密码积分分析自动搜索技术区分器混合整数线性规划(MILP)

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三轮和四轮AES的新型区分器

网络空间安全 2018年第4期9卷 48-51页

作者：王美琴胡凯高超山东大学密码技术与信息安全教育部重点实验室山东济南250100 山东中医药大学附属医院山东济南250100

高级加密标准(Advanced Encryption Standard,AES)是国际上最被广泛使用的加密标准之一。近年来许多新设计的算法选择使用缩减轮数的AES算法作为底层算法,所以缩减轮数AES的安全性,包括可区分性质需要更加深入的研究。论文利用AES列混... 详细信息

高级加密标准(Advanced Encryption Standard,AES)是国际上最被广泛使用的加密标准之一。近年来许多新设计的算法选择使用缩减轮数的AES算法作为底层算法,所以缩减轮数AES的安全性,包括可区分性质需要更加深入的研究。论文利用AES列混合的矩阵每列有两个相同系数的性质,给出三轮和四轮AES新的区分攻击。新的区分攻击与传统的三轮和四轮积分区分器类似,拥有相同的数据和时间复杂度。

关键词：高级加密标准 AES 区分器

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Camellia算法积分区分器的构建

福建电脑 2017年第6期33卷 38-40,108页

作者：沈群李艳俊福建农林大学计算机与信息学院福建福州350002 北京电子科技学院信息安全系北京100070

分组密码Camellia算法是2000年NTT和Mitsubishi电子公司联合设计的一个分组密码,由SO/IEC选取为国际标准,同时也是NESSIE,CRYPTREC工程和IETF的最终获胜者。基于2002年SAC会议上Hatano等人提出的5轮积分区分器,本文提出了Camellia算法的... 详细信息

分组密码Camellia算法是2000年NTT和Mitsubishi电子公司联合设计的一个分组密码,由SO/IEC选取为国际标准,同时也是NESSIE,CRYPTREC工程和IETF的最终获胜者。基于2002年SAC会议上Hatano等人提出的5轮积分区分器,本文提出了Camellia算法的8轮高阶积分区分器,而且对这个区分器的构建进行了严密的数学推理和证明,这个结果是目前积分区分器构造中最好的。

关键词：分组密码 Camellia算法积分分析区分器活跃字节

轻量级分组密码LED和CRAFT的唯密文故障分析研究

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轻量级分组密码LED和CRAFT的唯密文故障分析研究

作者：蔡天培东华大学

学位级别：硕士

轻量级分组密码作为现代密码学的重要部分,因其实现代价小、易于标准化、运行速度快、吞吐量大等特点,被广泛应用于物联网设备的安全机制中。故障分析作为分析轻量级分组密码的重要方法之一,攻击者通过激光、电磁场、时钟毛刺等方式向... 详细信息

轻量级分组密码作为现代密码学的重要部分,因其实现代价小、易于标准化、运行速度快、吞吐量大等特点,被广泛应用于物联网设备的安全机制中。故障分析作为分析轻量级分组密码的重要方法之一,攻击者通过激光、电磁场、时钟毛刺等方式向密码设备注入故障,获得错误输出,然后基于分析错误输出中包含的信息,即可用较低的代价破译密码算法。该攻击方式不仅容易实现,且攻击威力大,因此故障攻击可以有效检测物联网中密码算法的安全性。唯密文故障分析是故障分析中的一种重要方法,指的是在故障注入后收集错误密文,且仅仅获取错误密文的条件下,即可破译密钥。该分析方式采用唯密文攻击假设,对攻击者的能力要求最小,具有更加灵活的运用场景和更大的威胁。在物联网的应用场景下,为了保障密码设备的安全性,密码设备的生产者应检测轻量级分组密码算法抵御唯密文故障分析的能力,并在必要时增加保护措施。轻量级分组密码算法LED算法由Guo等学者在2011年的国际加密硬件和嵌入式系统会议上提出,可应用于射频识别标签、智能卡等资源高度受限的物联网设备。该算法的实现代价小、运算速度快,具有低功耗、高效率、高安全性的特点。目前国际上对LED算法的唯密文故障分析依赖传统故障模型,故障模式单一且故障注入要求高。本文提出并设计面向实际的新型不均匀故障模型,以及平均权重区分器、几何平均汉明重量区分器、几何平均加权雅卡尔距离区分器等三种新型区分器。模拟实验表明,新型区分器在成功率、故障数和筛选率等方面具有优势。研究表明,新型故障模型与区分器降低了唯密文故障分析在实际环境中的实施门槛。可调轻量级分组密码算法CRAFT算法由Beierle等学者在2019年国际对称密码学期刊上提出,适合用于物联网中资源受限的设备。由于算法中可调参数的加入,CRAFT算法在加解密的变换上更加复杂。目前为止国际上尚未有对CRAFT算法的唯密文故障分析。本文提出并设计新型覆写故障模型,和决定系数、雅卡尔相似系数、泊松偏差、余弦相似指数等区分器。模拟分析表明,新型覆写故障模型和区分器可以使得故障注入的轮数更深、所使用的故障数更少、筛选率大幅优化和攻击时间更短。针对CRAFT算法的唯密文故障分析研究为未来轻量级分组密码算法抵御该类型的攻击提供了参考。本文提出了多种新型故障模型和新型区分器,并以轻量级分组密码LED算法和可调轻量级分组密码CRAFT算法为对象进行了模拟实验,降低了唯密文故障分析的实现要求,达到了更好的攻击效果,为轻量级分组密码算法的分析与设计提供了新的思路。

关键词：唯密文故障分析轻量级分组密码故障模型区分器

基于深度学习的SIMON3264安全性分析

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计算机研究与发展 2021年第5期58卷 1056-1064页

作者：王慧娇丛鹏蒋华韦永壮广西可信软件重点实验室(桂林电子科技大学) 广西桂林541004

轻量级分组密码的安全性分析越来越倾于向自动化和智能化的方向发展.目前基于深度学习对轻量级分组密码进行安全性分析正在成为一个全新的研究热点.针对由美国国家安全局在2013年发布的一款轻量级分组密码SIMON算法,将深度学习技术应用... 详细信息

轻量级分组密码的安全性分析越来越倾于向自动化和智能化的方向发展.目前基于深度学习对轻量级分组密码进行安全性分析正在成为一个全新的研究热点.针对由美国国家安全局在2013年发布的一款轻量级分组密码SIMON算法,将深度学习技术应用于SIMON3264的安全性分析.分别采用前馈神经网络和卷积神经网络模拟多差分密码分析当中的单输入差分多输出差分情形,设计了应用于SIMON3264的6~9轮深度学习区分器,并比较了2种神经网络结构在不同条件下的优劣.通过对前馈神经网络和卷积神经网络的7轮深度学习区分器向前向后各扩展1轮,提出了针对9轮SIMON3264的候选密钥筛选方法.实验结果证实:采用128个选择明文对,可以成功地将65535个候选密钥筛选在675个以内.这说明基于深度学习的差分区分器相比传统差分区分器需要更少的时间复杂度和数据复杂度.

关键词： SIMON3264 深度学习差分密码分析区分器候选密钥筛选

物联网中MIBS轻量级密码的唯密文故障分析

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计算机研究与发展 2019年第10期56卷 2216-2228页

作者：李玮曹珊谷大武李嘉耀汪梦林蔡天培石秀金东华大学计算机科学与技术学院上海201620 上海交通大学计算机科学与工程系上海200240 上海市可扩展计算与系统重点实验室(上海交通大学) 上海200240 上海市信息安全综合管理技术研究重点实验室(上海交通大学) 上海200240

MIBS密码是在2009年的密码学和网络安全(CANS)会议上提出的一种轻量级算法,它具有较高的软硬件实现效率,并且能够抵抗差分分析、线性分析等传统密码分析方法,适合运行在资源受限,并有一定安全要求的物联网环境中.提出了一种针对MIBS密... 详细信息

MIBS密码是在2009年的密码学和网络安全(CANS)会议上提出的一种轻量级算法,它具有较高的软硬件实现效率,并且能够抵抗差分分析、线性分析等传统密码分析方法,适合运行在资源受限,并有一定安全要求的物联网环境中.提出了一种针对MIBS密码的新型唯密文故障攻击,即利用新型双重“与”故障模型、新型Parzen-HW和Parzen-HW-MLE区分器对中间状态进行分析,进而破译MIBS密码.实验表明:该方法最少使用72个故障注入即可破译出主密钥,并且成功率不小于99%.该方法可以进一步降低故障注入数和时间,有效地提高了攻击效率.研究表明:唯密文故障攻击对MIBS密码算法的安全性造成极大的威胁,为其他轻量级密码的安全性分析提供了重要参考.

关键词：轻量级密码 MIBS 唯密文故障攻击物联网区分器

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LBlock算法的改进中间相遇攻击

计算机学报 2017年第5期40卷 1080-1091页

作者：郑雅菲吴文玲中国科学院软件研究所可信计算与信息保障实验室北京100190 中国科学院大学研究生院北京100049

LBlock算法是2011年在ACNS会议上提出的轻量级分组密码算法,目前已存在17轮、19轮LBlock算法的中间相遇攻击.文中评估LBlock算法在预建表中间相遇攻击下的安全性.预建表中间相遇攻击提出并发展于AES算法(高级加密标准)的安全性分析,是... 详细信息

LBlock算法是2011年在ACNS会议上提出的轻量级分组密码算法,目前已存在17轮、19轮LBlock算法的中间相遇攻击.文中评估LBlock算法在预建表中间相遇攻击下的安全性.预建表中间相遇攻击提出并发展于AES算法(高级加密标准)的安全性分析,是近些年密码分析中的一个研究热点.预建表中间相遇攻击属于典型的区分器类攻击,包含离线和在线两个阶段.文中通过综合离线阶段区分器的建立过程和在线阶段密钥的恢复过程,利用程序搜索LBlock算法有效区分器与对应初始密钥的最优攻击参数.结果表明,LBlock算法存在11轮区分器,21轮LBlock算法不抵抗预建表中间相遇攻击,攻击的数据复杂度仅为2^(34.1)选择明文,计算复杂度为2^(75.8)次21轮加密,存储复杂度为2^(74.8)个64比特块.与LBlock算法已有中间相遇攻击相比,文中将攻击轮数由19轮扩展至21轮,刷新了LBlock算法在中间相遇攻击下的安全性评估结果.与不可能差分、积分分析等其他分析结果相比,文中攻击具有显著的低数据复杂度,在实际攻击环境下具有重要意义.此外,为了提高LBlock密钥扩展算法的扩散速度,汪艳凤等人提出了一种新的密钥扩展算法.文中评估了采用新的密钥扩展算法的LBlock在预建表中间相遇攻击下的安全性,并成功得到了复杂度优于穷举搜索的20轮攻击,结果显示新的密钥扩展算法以1轮的优势增强了LBlock算法抵抗此类攻击的能力.

关键词：分组密码 LBlock 中间相遇攻击区分器数据复杂度密钥扩展算法

基于交换等价的缩减轮AES-128的密钥恢复攻击

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计算机研究与发展 2021年第10期58卷 2213-2221页

作者：张丽吴文玲张蕾郑雅菲中国科学院软件研究所北京100190 中国科学院大学北京100049

高级加密标准(advanced encryption standard,AES)是一种高安全性的密钥加密系统,在实际生活中受到了多方面认可及使用,自它诞生以来对于它的安全性问题的研究一直是密码学者最感兴趣的.目前对全轮的AES的攻击难度非常大,现有分析方法... 详细信息

高级加密标准(advanced encryption standard,AES)是一种高安全性的密钥加密系统,在实际生活中受到了多方面认可及使用,自它诞生以来对于它的安全性问题的研究一直是密码学者最感兴趣的.目前对全轮的AES的攻击难度非常大,现有分析方法难以突破穷举搜索方法.朝着突破全轮AES的方向努力,近些年来研究人员十分关注对于缩减轮版本的AES攻击,并且已经涌现了许多优秀的分析方法,其中交换等价攻击——一种新的适合于类SPN分组密码设计的密码分析攻击技术广受关注.研究人员利用该技术得到了比以往更好的秘密密钥选择明文区分器和自适应选择密文区分器.使用了这一新技术,基于AES的5轮自适应选择密文区分器,在恢复密钥时利用了AES加密算法列混合变换系数矩阵的基本性质和0差分性质,提出了一种带有秘密S盒的6轮缩减轮AES-128的密钥恢复攻击,该攻击只要求251.5选择明文和257.42自适应选择密文的数据复杂度以及272时间复杂度.此外,一个小版本AES上的实验验证了提出的密钥恢复攻击.该版本AES块大小为64b,在状态中的每一个字是4b半字节,该实验结果也支持了该研究的理论.最后,当前的对6轮缩减轮AES-128密钥恢复攻击结果比已有的对缩减轮AES-128的密钥恢复攻击结果更优.

关键词：高级加密标准区分器交换等价攻击密钥独立密钥恢复攻击