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密码学报 2023年第3期10卷 650-666页

作者： Sylvain Guilley Youssef Souissi 张帆杨博麟 Télécom-Paris InstitutPolytechniquedeParisParisFrance Secure-IC 75014ParisFrance 浙江大学计算机科学与技术学院/网络空间安全学院杭州310058 阿里巴巴-浙江大学前沿技术联合研究中心杭州310058 浙江大学信息与电子工程学院杭州310058

后量子密码(PQC)算法的提出源于非对称密码的新需求.其主要包括密钥交换、非对称加密和数字签名.后量子密码算法的加密计算环节,需要同时抵御传统计算机以及量子计算机的破解和攻击.然而,PQC算法本身仍然需要进行一些基于常规数学函数... 详细信息

后量子密码(PQC)算法的提出源于非对称密码的新需求.其主要包括密钥交换、非对称加密和数字签名.后量子密码算法的加密计算环节,需要同时抵御传统计算机以及量子计算机的破解和攻击.然而,PQC算法本身仍然需要进行一些基于常规数学函数的软件或者硬件实现.因此,通常的基于实现层面的攻击仍然有效.PQC算法的一些功能,例如有限域的取模、求逆、非均匀随机数采样以及解码算法等,已经采用了“常数时间”等相关防御实现,对其开展评估具有很大的难度.本文主要列举了PQC在实现过程中可能面临的挑战,特别是与旁路分析相关的泄漏,并进行更加深入的检测和研究.首先,我们详细说明了对条件控制语句以及条件访问数据结构中存在的旁路泄漏的探测与预防方法.其次,在操作数据被分成若干块(即掩码防御方法)的条件下,传统的纵向泄漏检测方法并不适用,但是我们的前述方法却可以适用于数据旁路的泄漏检测.本文反映出PQC算法的安全实现仍然需要安全评估以及安全编码等相关的知识.本文主要介绍了一种通用的检测方法,应对多种PQC算法存在不同算法类型、不同数学类型及其不同参数配置的复杂问题,并旨在给读者提供关于安全代码实现评估和设计的全面介绍.

关键词：后量子密码算法旁路攻击安全性评估

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高能效混合基多项式乘法算法及可重构硬件结构研究与设计

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电子学报 2024年

作者：别梦妮李伟金羽陈韬李慧琴杜怡然南龙梅信息工程大学

本文针对快速多项式乘法算法与可重构单元的高能效设计问题展开研究，首先对现有的格基后量子密码算法展开研究，提出了一种基于数论变换（Number Theoretic Transform, NTT）的快速多项式乘法算法，并针对其中的核心运算过程，提出了... 详细信息

本文针对快速多项式乘法算法与可重构单元的高能效设计问题展开研究，首先对现有的格基后量子密码算法展开研究，提出了一种基于数论变换（Number Theoretic Transform, NTT）的快速多项式乘法算法，并针对其中的核心运算过程，提出了高能效混合基的NTT和INTT(Inverse Number Theoretic Transform)算法，该算法可以利用NTT变换高效实现所有基于有限域的格基后量子密码算法中的多项式乘法.在此基础上，对快速多项式乘法算法运算结构进行研究，在不增加额外运算部件的前提下，通过优化网络连接关系，提出了一种高能效可重构的混合基多项式乘法加速网络，在可灵活实现基2、基3、基4NTT/INTT算法的同时，将基3与基4NTT运算效率的提升了一倍.本文针对混合基NTT运算过程中的访存冲突问题展开研究，从理论上分析了冲突产生的原因，在此基础上分析提出了一种高能效混合基的内存管理方案，设计了相应的地址生成逻辑.本文提出的内存访问方案是原地内存访问的一种，硬件固化后仍可实现不同的多项式乘法算法的内存管理.实验结果表明，在55nm CMOS工艺下，完成维度为256，模数小于216的多项式乘法运算仅需0.785μs，最高工作频率可达到476 MHz，功耗为83.6mW，面积时间积（Area Time Product, ATP）为152.604 kGEμs.与当前现有研究相比，本文提出的结构的ATP值降低了40%以上.

关键词：后量子密码算法格多项式乘法数论变换

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混合加密系统的实现安全性评估研究

混合加密系统的实现安全性评估研究

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作者：董晓飞浙江大学

学位级别：硕士

加密系统分为对称加密系统和非对称加密系统,但是单独使用其中一个会遇到安全性或效率问题。因此,为了同时保证安全性和效率,现代加密系统将对称加密系统和非对称加密系统结合,形成了混合加密系统。混合加密系统一般分为两个阶段:基于... 详细信息

加密系统分为对称加密系统和非对称加密系统,但是单独使用其中一个会遇到安全性或效率问题。因此,为了同时保证安全性和效率,现代加密系统将对称加密系统和非对称加密系统结合,形成了混合加密系统。混合加密系统一般分为两个阶段:基于公钥加密算法的密钥协商阶段和基于对称加密算法的数据加密阶段。但是,面对量子计算机的威胁,像RSA(Rivest,Shamir,Adleman)和ECC(Elliptic Curve Cryptography)之类的传统的公钥加密算法也不再安全,因此以后量子密码算法替代传统的公钥加密算法成为现代混合加密系统的必然趋势。本文基于三种实际的密码芯片,从旁路分析的角度对现代混合加密系统进行全面的实现安全性评估,旨在从攻防两端提高现代加密系统的安全性。首先,本文对混合加密系统的第一阶段——密钥协商阶段进行了安全性评估。我们以美国国家标准局征集的后量子密码算法——超奇异同源椭圆曲线密码算法为例,提出了一种差分电磁旁路攻击方法,来恢复密钥协商阶段的私钥。在此基础上,本文提出了一种基于窗口的抗差分电磁旁路攻击的防御策略,来保护超奇异同源椭圆曲线后量子密码算法的安全性。然后,对于混合加密系统的第二阶段——数据加密阶段,针对最常用的对称加密算法AES(Advanced Encryption Standard)算法,我们提出了三种时序加扰防护策略,来防御传统的差分功耗分析攻击。在此基础上,本文提出了一种基于小波分析的针对随机时序加扰防护的攻击框架来恢复对称加密算法的密钥,包括小波去噪,小波对齐和小波密钥恢复,并对该小波攻击框架的性能与效果进行了全面的评价与分析。通过该研究,发现混合加密系统的两个阶段都可能会受到旁路分析攻击威胁,其在实际密码芯片上的实现的安全性需要受到更多重视。本文的创新点在于在三种不同的密码芯片平台——8位通用微处理器、ARM处理器以及FPGA(Field Programmable Gate Array)上,分别对后量子密码算法和加有时序加扰防护的对称加密算法提出了有效的攻击方法,并为后量子密码算法提出了抗旁路分析攻击的防护策略,为混合加密系统的安全性研究提供了理论和实践上的指导作用。

关键词：混合加密系统后量子密码算法对称加密算法差分电磁攻击小波攻击框架

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GF（q）上基于GRS码的数字签名体制

GF（q）上基于GRS码的数字签名体制

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作者：谢昊西安电子科技大学

学位级别：硕士

目前大多数公钥方案在理论上容易受到量子计算机运行的潜在攻击。后量子公钥密码体制提供了针对这些攻击的解决方案。基于码的公钥密码算法是研究最广泛的对抗量子计算攻击的密码算法之一。如今其主要问题是如何选择参数来维持安全性和... 详细信息

目前大多数公钥方案在理论上容易受到量子计算机运行的潜在攻击。后量子公钥密码体制提供了针对这些攻击的解决方案。基于码的公钥密码算法是研究最广泛的对抗量子计算攻击的密码算法之一。如今其主要问题是如何选择参数来维持安全性和效率之间的平衡。在实践中,完美兼顾这两方面的密码方案尚未产生。主要原因是公钥量过大而无法广泛应用。但算法本身的安全性和加解密性能均高于其他类型的公钥密码体制。基于码的数字签名方案常用于集成到物联网(Io T)中的全球智能基础设施服务中,主要用于构建特殊签名或身份认证方案。车载自组织网络(VANET)是一种经典的物联网应用,近年来一直处于技术进步的前沿,VANET服务中存在许多特殊签名方案。但是,它仍然面临安全和隐私问题。因此,应该现在就开始为基于后量子密码原语的隐私保护做准备,并且应该开始设计一些能够抵抗未来潜在威胁的隐私保护服务。首先,本文将研究选取q元伽罗华域(GF(q))上的广义Reed-Solomon(GRS)码,尝试构建基于码的经典公钥密码签名算法——CFS算法,研究其可行性及相关性能优化,并给出完整的安全性证明与分析。构建基于GF(q)上码类的密码算法可以在保证安全的前提下有效减小公钥的大小,有利于相关算法的应用。我们将使用迭代搜索的方法找到与GRS码的一个校正子对应的误差向量来构建数字签名。而使用GF(q)上的GRS码,可以带来更灵活的参数选择。与其他基于码的数字签名方案相比,本方案具有更高的安全性和更小的公钥量。在安全性略优的情况下,公钥量仅为原始CFS方案的4.1%。其次,考虑VANET计算存储资源匮乏且相关隐私保护需求高,本文提出了一种可追踪的基于码的VANET环签名方案,以保护它们免受量子计算攻击,并且本文方案公钥量更小,可快速验证,适用于VANET应用场景。本文方案中用户可以选择在签名中包含跟踪信息,这是一种面向用户的功能,只有用户注册正确信息,可信第三方才能实现追踪功能。所以本文方案可以在特殊情况下跟踪用户,而不会危及环签名的匿名性。最终,本文对提出方案作出了性能分析以及完整的安全性分析。通过计算签名复杂度、安全性和公钥量三个指标,证明了本文方案是可行、安全且高效的。可行意味着选取GF(q)上的GRS码构建基于码的数字签名方案能生成有效签名,安全意味着本文方案既是语义安全同时也是计算安全的,高效则意味着本文方案在保证安全性的前提下有着更小的公钥量。基于码的签名方案的安全性既取决于方案的语义安全,又取决于方案相关困难问题的安全性。本文先对方案本身进行可证明安全分析,证明本文方案可以归约到相应困难问题。又因为选取不同的码类,解相关困难问题的难度不同。然后本文对于解相关困难问题的最高效的攻击方法做了进一步的分析,完整的证明了本文方案的安全性。

关键词：后量子密码算法基于码的数字签名方案广义Reed-Solomon码 q元有限域

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基于Niederreiter公钥密码体制的盲签名方案

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北京电子科技学院学报 2013年第2期21卷 50-55页

作者：李泽慧李子臣西安电子科技大学通信工程学院西安710071 北京电子科技学院北京100070

基于纠错码的公钥密码体制由于具有可抵抗量子攻击的优点成为后量子密码理论中的一个研究重点。本文针对消息文件的匿名保护问题,基于纠错码的Niederreiter公钥密码体制提出了一种盲签名方案。消息通过哈希、盲化后利用N公钥密码体制的... 详细信息

基于纠错码的公钥密码体制由于具有可抵抗量子攻击的优点成为后量子密码理论中的一个研究重点。本文针对消息文件的匿名保护问题,基于纠错码的Niederreiter公钥密码体制提出了一种盲签名方案。消息通过哈希、盲化后利用N公钥密码体制的解密算法完成签名,用户通过脱盲可获得签名。分析表明,此算法具有一般盲签名的基本性质,并且比基于RSA体制的代理签名具有更高的效率;不但继承了Niederreiter公钥密码体制的安全性,而且通过加入哈希过程获得了更高安全性,是一种值得参考的基于编码的后量子签名方案。

关键词：后量子密码算法公钥密码体制 Niederreiter算法哈希数字签名盲签名

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