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基于布尔可满足性问题的对称密码分析方法研究

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基于布尔可满足性问题的对称密码分析方法研究

作者：秦愿华东师范大学

学位级别：硕士

在科技高速发展的今天,人们正因信息技术所带来的便捷性而受益,但同时也承受着信息安全问题所导致的隐患。密码技术作为保障信息安全的重要因素,受到各国的高度重视。密码学可分为密码编码学和密码分析学两个小类,密码编码学主要研究如... 详细信息

在科技高速发展的今天,人们正因信息技术所带来的便捷性而受益,但同时也承受着信息安全问题所导致的隐患。密码技术作为保障信息安全的重要因素,受到各国的高度重视。密码学可分为密码编码学和密码分析学两个小类,密码编码学主要研究如何高效地对信息进行编码,以达到隐藏信息的目的;而密码分析学则研究如何破译密文和消息修改,从而防止信息被攻击者窃取、篡改或破坏。设计高效、安全的密码可以防止敌手获取重要的信息,同时,研究密码分析可以提供安全评估,改进密码设计技术,使更优的密码算法问世。所有的密码分析技术旨在以较低的时间复杂度和数据复杂度将密码算法和完全随机函数区分开,从而进行密钥恢复。现代分组密码算法的分组长度大、轮数多、代数度高,使得传统的密码分析技术难以攻击更多轮数。故诸多学者创新性地提出了差分-线性分析、高阶差分分析和旋转分析等新型分析方法。同时在分析过程中,攻击者往往会寻找密码算法的最优的攻击路线,如差分(线性)分析中的概率(相关性)最高的差分(线性)迹,故最优路线的寻找是攻击的一大难点。国内外的学者们提出将特定路线的寻找建模成数学约束,然后通过自动化搜索工具去求解该约束。随着现代计算机算力的逐渐提升,自动化的最优路线搜索也逐渐成为主流。在密码分析领域中,用于搜索最优路线的数学工具有两种:混合整数线性规划(MILP)和布尔可满足性问题(SAT)。本文将讲述利用SAT工具对Chaskey密码算法和Xoodyak哈希函数的分析。本文的贡献主要有以下几点:1.由于消息验证码Chaskey不含有异或常量的特性,符合使用旋转分析的先决条件,故结合差分-线性分析方法,首次使用旋转差分-线性方法分析该算法。同时,在线性部分利用SAT求解器求解最优的线性路线以降低时间复杂度和数据复杂度。最终,本文提供了9轮Chaskey的旋转差分-线性区分器概率为2-113.272。2.为了得到分组密码算法的密钥,需要在线性部分考虑多条线性迹从而提高相关性,利用分割点技术以降低密钥恢复的复杂度。最终,本文提供了8轮Chaskey利用旋转差分-线性分析结合分割点技术的密钥恢复结果,其时间复杂度为2。3.本文还分析了利用SAT求解器求解Xoodyak哈希函数两轮原像分析的结果,为了加速SAT求解器的求解过程,尝试使用减少中间变量、逆推已知比特等方式提早终止搜索过程,从而减少搜索时间,降低时间复杂度。最终,本文提供了2轮Xoodyak原像攻击的结果,总时间复杂度为2,在此之前仅有1轮Xoodyak原像攻击的结果。

关键词：密码分析分组密码哈希函数布尔可满足性理论 Chaskey Xoodyak 消息验证码

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SM4密码算法的唯密文故障分析

计算机学报 2022年第8期45卷 1814-1826页

作者：李玮汪梦林谷大武温云华李嘉耀张雨希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 上海交通大学上海市可扩展计算与系统重点实验室上海200240

SM4算法是我国公布的首个商用密码算法,用于保护WAPI无线局域网标准中的数据传输,2012年成为国家密码行业标准,2021年作为ISO/IEC国际标准正式发布.在唯密文攻击中,攻击者除了所截获的密文,没有其它可利用的信息,因而获取的信息最少、... 详细信息

SM4算法是我国公布的首个商用密码算法,用于保护WAPI无线局域网标准中的数据传输,2012年成为国家密码行业标准,2021年作为ISO/IEC国际标准正式发布.在唯密文攻击中,攻击者除了所截获的密文,没有其它可利用的信息,因而获取的信息最少、攻击难度较大.目前,国内外未有公开发表的SM4算法抵抗唯密文攻击的结果.本文采用巴氏系数-汉明重量、詹森香农散度-汉明重量和詹森香农散度-汉明重量-极大似然估计等新型区分器对SM4算法实施唯密文故障分析.仿真实验表明,该方法最少仅需要136个随机故障,可以破译SM4算法的128比特主密钥,且在准确度、成功率、耗时和复杂度等方面攻击效果佳.该结果为无线局域网中密码算法的安全性分析和实现提供了重要参考.

关键词：故障分析 SM4 唯密文攻击分组密码密码分析

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对称密码的量子分析法综述

密码学报（中英文） 2024年第1期11卷 159-173页

作者：董晓阳清华大学网络科学与网络空间研究院北京100084 密码科学技术国家重点实验室北京100878 山东区块链研究院济南250102 中关村实验室北京100194

随着量子计算技术的不断进步, 密码学研究者不得不深入研究量子计算模型对经典对称密码算法带来的安全威胁. 本文综述了近年来在量子计算模型下针对经典分组密码和结构、认证和认证加密算法、哈希函数等的量子通用攻击和专用攻击等. 由... 详细信息

随着量子计算技术的不断进步, 密码学研究者不得不深入研究量子计算模型对经典对称密码算法带来的安全威胁. 本文综述了近年来在量子计算模型下针对经典分组密码和结构、认证和认证加密算法、哈希函数等的量子通用攻击和专用攻击等. 由于量子计算模型在不同敌手假设下取得的攻击效率不同, 因此本文对不同攻击假设进行了分类, 并归纳总结了不同假设下密码研究者所取得的重要研究成果.

关键词：量子计算对称密码密码分析

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密码分析

网络安全技术与应用 2003年第1期 44-45,48页

作者：文磊黎明西南石油学院计算机科学学院

密码分析是密码学中一个重要分支,它的发展促进了密码编码学的进步。本文介绍了密码分析的分类和常见的密码分析方法以及攻击的复杂度问题。

关键词：密码分析密码学密钥线性密码

轻量级密码Pyjamask和SUNDAE-GIFT的不可能统计故障分析

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计算机学报 2024年

作者：李玮高建宁谷大武秦梦洋刘源东华大学计算机科学与技术学院上海交通大学上海市可扩展计算与系统重点实验室上海交通大学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计算机科学与工程系

Pyjamask密码是2020年由Goudarzi等学者在国际对称密码学期刊中提出的密码算法，同时也是国际轻量级密码竞赛第二轮候选算法，旨在保护物联网中传感器、智能芯片和嵌入式设备的数据安全．本文结合Pyjamask密码的设计结构和实现特点，基... 详细信息

Pyjamask密码是2020年由Goudarzi等学者在国际对称密码学期刊中提出的密码算法，同时也是国际轻量级密码竞赛第二轮候选算法，旨在保护物联网中传感器、智能芯片和嵌入式设备的数据安全．本文结合Pyjamask密码的设计结构和实现特点，基于不可能关系策略和统计分析，提出适用于在唯密文环境下的不可能统计故障分析方法，并设计了Wasserstein距离—汉明重量和Wasserstein距离—极大似然估计区分器．该分析方法分别仅需1024和1120个随机故障密文，即可在59.84和140.16毫秒内破译Pyjamask密码全部版本的128比特主密钥．并且，该方法和区分器均可用于认证加密算法SUNDAE-GIFT的分析中．不可能统计故障分析的攻击速度快，并且实现代价低，为轻量级密码的实现安全研究提供了有价值的参考．

关键词：轻量级密码 Pyjamask SUNDAE-GIFT 故障分析不可能关系密码分析

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ARX型密码算法的设计与分析

密码学报（中英文） 2024年第1期11卷 101-127页

作者：孙思维胡磊刘田雨牛钟锋汪达超张英杰中国科学院大学密码学院北京100049 密码科学技术全国重点实验室北京100878 中国科学院大学网络空间安全学院北京100049 隆德大学电子信息系隆德北京雁栖湖应用数学研究院北京101408 清华大学丘成桐数学科学中心北京100084

ARX型密码算法是指由模加(Addition)、旋转移位(Rotation)和异或(XOR)等基本操作设计而成的密码学置换、杂凑函数、分组密码、序列密码、消息认证码和认证加密等对称密码算法.由于在效率、安全性和易实现性等方面的优势,ARX型密码得到... 详细信息

ARX型密码算法是指由模加(Addition)、旋转移位(Rotation)和异或(XOR)等基本操作设计而成的密码学置换、杂凑函数、分组密码、序列密码、消息认证码和认证加密等对称密码算法.由于在效率、安全性和易实现性等方面的优势,ARX型密码得到了广泛应用,多个国际对称密码标准都采用了ARX型设计.另一方面,由于ARX算法中模加操作带来的复杂性,对ARX型密码算法的分析存在诸多困难问题.本文对ARX算法设计与分析方面的研究工作进行了归纳总结,提出了一些亟待解决的开放问题.

关键词：对称密码 ARX 密码设计密码分析模加

轻量级密码算法Piccolo的统计故障分析

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计算机学报 2021年第10期44卷 2104-2121页

作者：李玮李嘉耀谷大武汪梦林蔡天培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 上海交通大学上海市可扩展计算与系统重点实验室上海200240 上海交通大学上海市信息安全综合管理技术研究重点实验室上海200240

Piccolo算法是于2011年CHES会议上提出的一种轻量级分组密码算法,用于物联网环境中保护RFID、传感器、智能卡等电子设备的通信安全.目前国内外安全性分析研究集中在该算法的已知明文攻击和选择明文攻击,在攻击者能力最弱条件下的唯密文... 详细信息

Piccolo算法是于2011年CHES会议上提出的一种轻量级分组密码算法,用于物联网环境中保护RFID、传感器、智能卡等电子设备的通信安全.目前国内外安全性分析研究集中在该算法的已知明文攻击和选择明文攻击,在攻击者能力最弱条件下的唯密文攻击尚无相关研究.文中提出了统计故障分析下Piccolo密码的安全性,即在唯密文条件下,使用SEI、HW、ML、GF、MAP、GF-SEI、GF-ML、ML-SEI、ML-MAP、MM-HW及MM-HW-ML等一系列区分器,恢复Piccolo密码的主密钥.实验结果表明,Piccolo算法不能抵御统计故障分析的攻击,文中提出的新型区分器ML-MAP、MM-HW和MM-HW-ML仅需164和262个故障,可以分别恢复出80比特和128比特主密钥,有效地减少了故障数,并提升了攻击效率.该结果为物联网环境中轻量级密码的安全设计与实现提供有价值的参考.

关键词： Piccolo 轻量级密码算法密码分析唯密文攻击统计故障分析

PRESENT轻量级密码的中间相遇统计故障分析

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计算机学报 2023年第2期46卷 353-370页

作者：李玮朱晓铭谷大武李嘉耀蔡天培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200240 上海市信息安全综合管理技术研究重点实验室上海200240

PRESENT算法是于2007年在国际密码硬件与嵌入式系统会议提出的一种轻量级分组密码,2012年成为国际轻量级算法标准ISO/IEC-29192-2,适用于物联网中射频识别标签、网络传感器、智能卡等设备的数据保护.本文结合PRESENT密码的设计结构和实... 详细信息

PRESENT算法是于2007年在国际密码硬件与嵌入式系统会议提出的一种轻量级分组密码,2012年成为国际轻量级算法标准ISO/IEC-29192-2,适用于物联网中射频识别标签、网络传感器、智能卡等设备的数据保护.本文结合PRESENT密码的设计结构和实现特点,基于统计分析和中间相遇分析策略,提出了一种中间相遇统计故障分析方法,设计了皮尔逊相关系数-汉明重量、库尔贝克莱布勒散度-汉明重量区分器和杰卡德相似系数-汉明重量-极大似然估计等区分器,可以分别破译PRESENT密码全部版本的80比特和128比特原始密钥.该方法攻击轮数更深,故障数和耗时更少,有效地扩展了攻击范围,提升了攻击能力.结果表明,中间相遇统计故障分析对PRESENT密码构成了严重威胁.该研究为轻量级密码的实现安全研究提供了有价值的参考.

关键词：轻量级密码 PRESENT 故障分析中间相遇分析密码分析

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基于深度学习的对称密码分析方法研究

基于深度学习的对称密码分析方法研究

作者：闫嘉绪桂林电子科技大学

学位级别：硕士

密码部件设计和密码分析是密码前沿一直关注的两大核心问题,两者相互制衡,又互相促进快速发展。分组密码属于对称密码,密码S盒是分组密码算法的关键组成部分,S盒的密码学性质是否优良决定着密码算法抵御密码分析的能力。密码分析则致力... 详细信息

密码部件设计和密码分析是密码前沿一直关注的两大核心问题,两者相互制衡,又互相促进快速发展。分组密码属于对称密码,密码S盒是分组密码算法的关键组成部分,S盒的密码学性质是否优良决定着密码算法抵御密码分析的能力。密码分析则致力于寻找密码算法的漏洞和设计缺陷并尝试攻破算法,以检测密码部件或密码算法是否达标。在密码部件设计中,使用深度学习方法提高构造效率。同样地,为提高密码分析效率,各种自动化分析方法被提出,如MILP、SAT/SMT、和深度学习等。本文基于深度学习模型构造密码S盒,并基于MILP模型和深度学习模型开展对分组密码算法的安全性分析,主要内容如下:(1)基于GAN模型,提出一种8-bit S盒的设计方法。该方法首先基于AES算法S盒通过仿射等价构造数据集;其次,基于GAN的基本思想,对生成器和判别器进行调整,提出GSGAN模型生成密码S盒,通过交叉训练,构造具有良好密码性质的8-bit S盒。对生成结果的安全性指标进行测评,实验结果证明基于上述方法设计的密码S盒具有较好的安全性质。(2)随着密码设计强度的提高,为了高效地寻找更高轮数的区分器,优化MILP问题的约束条件和变量数量,针对ESF算法提出精简的MILP差分类搜索模型,自动化搜索ESF算法的差分活跃S盒的精准下界和不可能差分区分器。利用Gurobi求解器对模型求解,在单密钥和相关密钥情况下,搜索到ESF算法差分活跃S盒的精确下界、不可能差分区分器等结果。基于MILP模型搜索结果,攻击15轮ESF算法,与现有结果对比数据复杂度和时间复杂度均有下降。(3)MILP应用在大分组算法时,存在搜索时间过长,效率下降等问题,尝试基于深度学习对密码算法进行安全性分析。ESTATE是入选NIST第二轮的身份认证加密方案,针对该方案中的实例化可调分组密码算法TweGIFT-128,将搜索差分区分器问题转换为分类问题,构造TweGIFT-128算法的神经网络差分区分器,对算法进行安全性分析。相比于传统构建区分器过程,神经网络区分器模型更加简洁具有通用性,实验结果获得4/5/6/7轮的TweGIFT-128差分区分器。

关键词：分组密码密码分析神经网络 MILP 密码S盒