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对称密码算法的实现与验证

对称密码算法的实现与验证

作者：庄敏广东工业大学

学位级别：硕士

密码技术在当下信息安全形势不断严峻的背景下,仍担任着非常关键的角色。目前,根据密钥的数量和使用方法的差异,密码算法主要被分成非对称密码算法和对称密码算法,前者在加解密过程中分别使用私钥和公钥,后者则使用同一种密钥。AES和SM... 详细信息

密码技术在当下信息安全形势不断严峻的背景下,仍担任着非常关键的角色。目前,根据密钥的数量和使用方法的差异,密码算法主要被分成非对称密码算法和对称密码算法,前者在加解密过程中分别使用私钥和公钥,后者则使用同一种密钥。AES和SM4算法是当下主流的对称密码算法,在信息传输方面有较高的安全性。传统的密码算法大都通过软件方法来实现,这种方法占用资源较多,运算效率低,安全性也不足。而硬件方法拥有更高的运算效率和安全性,在信息安全方面有着更高的参考价值。所以本文选择使用硬件方法来实现AES和SM4对称密码算法。在AES和SM4对称密码算法的硬件模块设计上,鉴于两个算法的相似性,本文首先基于两个算法的原理分别进行了实现结构的设计,在这里,创新性地采用了加解密流程与密钥扩展流程并行的实现结构。不同于以往密钥扩展操作和加解密操作分别独立进行,每一个扩展密钥都存储在寄存器中,需要时再调用的实现方法,新结构能够大量减少寄存器的数量。根据新的实现结构,本文还设计了所需的逆密钥扩展算法,尤其是AES对称密码算法,根据密钥长度的不同,密钥扩展算法也有所不同,所以本文分别对AES-128、AES-192、AES-256的逆密钥扩展算法进行了设计。接着本文对有限域上实现的AES和SM4对称算法的(逆)S盒进行了优化,将有限域上的(逆)S盒通过同构映射,使其在复合域上进行运算,并对复合域中实现的(逆)S盒进行了结构优化。在完成硬件模块的设计之后,搭建了一个通用的UVM验证平台,之后,根据待测的AES和SM4算法硬件模块,对通用验证平台进行针对性修改。利用针对性验证平台,本文对待测AES和SM4算法模块进行了功能测试,并借用验证平台的覆盖率,来确定验证进度,随着测试案例的不断增加,覆盖率逐渐趋近于100%。同时,利用仿真软件进行波形仿真验证,确保时序和功能的正确性。最后,本文在SMIC 55 nm的CMOS工艺,以及100MHz的时钟约束的基础上,对AES和SM4模块进行了综合。其中AES模块的综合面积为51999.36μm,约为46.42k个等效门,执行一次AES-256的加解密操作需要30个时钟周期,吞吐率可达856.2Mb/s;SM4模块的综合面积为17732.4μm,约为15.83k个等效门,执行一次加解密操作需要66个周期,吞吐率可达287.8Mb/s。与其它类似设计比较,本设计的面积、时钟、吞吐率能够达到平均及以上水平,符合本论文的设计要求。

关键词：信息安全对称密码算法 AES SM4 UVM

山东大学对称密码团队在对称密码算法分析方面发表系列成果

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信息网络安全 2023年第8期23卷 75-75页

随着安全多方计算(MPC)、全同态加密(FHE)、零知识证明(ZKP)等隐私保护技术实际应用的推动,研究针对新型隐私保护友好对称密码算法的分析理论和工具成为国际密码领域最为关注的问题。近日,山东大学网络空间安全学院王美琴教授团队针对... 详细信息

随着安全多方计算(MPC)、全同态加密(FHE)、零知识证明(ZKP)等隐私保护技术实际应用的推动,研究针对新型隐私保护友好对称密码算法的分析理论和工具成为国际密码领域最为关注的问题。近日,山东大学网络空间安全学院王美琴教授团队针对该类算法提出系列新型攻击方法,在多个通用算法的攻击中取得重大突破,分别在三大国际密码会议之一ASIACRYPT、对称密码领域旗舰会议FSE和ACISP上发表学术论文三篇,并获ACISP 2023 Best Student Paper Award荣誉。

关键词：安全多方计算网络空间安全对称密码算法零知识证明隐私保护技术通用算法 ACIS 全同态加密

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明文转换为DNA序列的对称密码算法与应用

明文转换为DNA序列的对称密码算法与应用

作者：刘珂敏广西大学

学位级别：硕士

明文转换为DNA序列的对称密码算法通过使用现代生物学技术,利用海量DNA分子特性和现代密码技术相结合,将DNA序列作为加密消息的载体,实现了明文数据加密及认证等密码学功能。明文转换为DNA序列的对称密码算法以现代密码学思想为基础,利... 详细信息

明文转换为DNA序列的对称密码算法通过使用现代生物学技术,利用海量DNA分子特性和现代密码技术相结合,将DNA序列作为加密消息的载体,实现了明文数据加密及认证等密码学功能。明文转换为DNA序列的对称密码算法以现代密码学思想为基础,利用合成、扩增、数字编码等分子生物学中的技术手段,将明文数据转换为DNA序列密文数据及其逆变换还原为明文。本文主要研究将明文数据转换为DNA序列的对称密码算法及其在信息隐藏中的应用。本文研究实现了一种扩展的明文转换为DNA序列的对称密码算法,它通过使用三级处理机制来提供安全性。该方法采用Unicode编码文件数据,给出改进的圆形局部二值模式,以适应中、英文文本及其混合文本数据的处理。将待加密数据转换为移位文本并找到其补码,然后执行文件数据LBP操作,将移位文本序列转换为DNA序列,最后利用DNA转换表和查找表操作得到DNA序列形式的密文数据。在解密过程中,按逆序执行生成DNA序列密文的解密数据。此外,设计实现了扩展的明文转换为DNA序列的对称密码并行算法。实验测试表明,给出的算法实现了明文转换为DNA序的中英文及其混合文本文件数据的加密和解密。与扩展的明文转换为DNA序列的对称密码串行算法相比,明文转换为DNA序列的对称密码并行算法所需的加密解密时间大大减少,加速效果明显。在上述工作的基础上,本文将扩展的明文转换为DNA序列的对称密码算法应用于信息隐藏处理。通过利用碱基互补与插入法人工合成一组新的目标DNA序列,设计出合适的引物序列,根据引物序列合成引物并装载到目标DNA序列中进行标记。利用DNA技术切割和拼接,将包含了 DNA序列的密文信息与引物的组装伪DNA序列植入原始长链DNA链中,将其与不包含任何信息的原始DNA链进行混合,从而实现信息的有效隐藏。

关键词：对称密码算法 DNA序列信息隐藏并行计算

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基于DSP下视频流的对称密码算法性能测试

机电一体化 2015年第6期21卷 69-72页

作者：顾兆丹江苏自动化研究所连云港222061

在雷达数据采集系统,特种行业的安防、监控系统等DSP平台下,通过使用加密手段来保证其数据传输的私密性具有重要意义。介绍了密码体制的基本概念及分类,对从属于对称密码体制的典型对称密码算法原理进行了分析,给出了DES、3DES和AES等3... 详细信息

在雷达数据采集系统,特种行业的安防、监控系统等DSP平台下,通过使用加密手段来保证其数据传输的私密性具有重要意义。介绍了密码体制的基本概念及分类,对从属于对称密码体制的典型对称密码算法原理进行了分析,给出了DES、3DES和AES等3种对称密码算法在TMS320C6713下的性能测试方法以及测试结果,得出了AES算法最适于在DSP环境下对视频数据进行加密的结论。

关键词： DSP 对称密码算法 DES 3DES AES

基于CUDA的高性能对称密码算法实现技术研究

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网络安全技术与应用 2018年第8期 31-33页

作者：杨海云张梓锌隆昆段博坤中国民航大学计算机科学与技术学院天津300300

在大数据和云计算应用与日俱增的今天,很多的应用服务器面临着执行大量计算稠密的加密挑战。CUDA作为NVIDIA推出的一种并行计算平台和编程模型,能够利用现有的显卡资源,以低成本的方式提升加密性能。在NVIDIA Geforce 940M上设计并实现... 详细信息

在大数据和云计算应用与日俱增的今天,很多的应用服务器面临着执行大量计算稠密的加密挑战。CUDA作为NVIDIA推出的一种并行计算平台和编程模型,能够利用现有的显卡资源,以低成本的方式提升加密性能。在NVIDIA Geforce 940M上设计并实现了并行的AES和SM4算法,与传统的CPU实现方式进行对比,AES最高可以获得92.70%的加密效率提升和13.69倍的加速比,SM4最高可以获得98.41%的加密效率提升和62.92倍的加速比。

关键词： CUDA 并行计算对称密码算法加速比

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国产商用对称密码算法及其相关标准介绍

中国质量与标准导报 2021年第4期 14-16页

作者：谢宗晓董坤祥甄杰中国金融认证中心山东财经大学管理科学与工程学院重庆工商大学管理科学与工程学院

1对称密码算法对称密码(symmetric cryptography)也称为共享密钥密码,是指用相同的密钥进行加密解密,其中的“对称”指的是加密密钥和解密密钥是相同的,或者用简单的运算就可以推导两个密钥。对称密码算法在逻辑上非常容易理解,因此出... 详细信息

1对称密码算法对称密码(symmetric cryptography)也称为共享密钥密码,是指用相同的密钥进行加密解密,其中的“对称”指的是加密密钥和解密密钥是相同的,或者用简单的运算就可以推导两个密钥。对称密码算法在逻辑上非常容易理解,因此出现的比较早,有时候也叫传统密码算法,以区别于公钥密码算法。

关键词：对称密码算法公钥密码算法加密密钥共享密钥加密解密解密密钥

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后量子时代对称密码安全性研究

工业信息安全 2023年第2期 33-39页

作者：刘群魏英凯陆洪钰山东大学网络空间安全学院山东青岛266237

本文主要探讨后量子时代对称密码算法面临的挑战,以及国内外量子电路优化的研究工作。后量子密码时代给信息安全行业带来了全新的挑战。现有商用密码系统的安全性基于算法复杂度与当前计算能力的不匹配来保证,然而Grover算法可以加速数... 详细信息

本文主要探讨后量子时代对称密码算法面临的挑战,以及国内外量子电路优化的研究工作。后量子密码时代给信息安全行业带来了全新的挑战。现有商用密码系统的安全性基于算法复杂度与当前计算能力的不匹配来保证,然而Grover算法可以加速数据搜索过程,从而降低对称密钥算法的安全性。因此,我们需要准确评估Grover算法的攻击资源代价。同时,国内外也进行了大量的量子电路优化相关研究。早期的研究主要集中在减少量子比特的数量,但近年来开始考虑整体复杂度。控制量子比特仍然是一个瓶颈问题,因为大规模量子计算机需要大量物理量子比特和纠错码的冗余性。面对量子环境下的安全性问题,传统的密码算法可能会被破解,从而导致信息泄露和安全问题。采用新的加密技术需要更新已有的基础设施,这需要制定与实施统一标准,来为对称密码的抗量子安全性提供更精确的分析研究。

关键词：后量子时代对称密码算法 Grover算法

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基于GPU的密码S盒代数性质评估方法

计算机应用 2022年第9期42卷 2750-2756页

作者：蔡婧雯韦永壮刘争红广西密码学与信息安全重点实验室(桂林电子科技大学) 广西桂林541004 广西无线宽带通信与信号处理重点实验室(桂林电子科技大学) 广西桂林541004

密码S盒即黑盒,作为对称密码算法中的非线性部件,其代数性质往往决定着密码算法的安全性能。差分均匀度、非线性度及透明阶作为衡量密码S盒安全性质的三个基本指标,分别刻画了S盒抵御差分密码分析、线性密码分析及差分功耗攻击的能力。... 详细信息

密码S盒即黑盒,作为对称密码算法中的非线性部件,其代数性质往往决定着密码算法的安全性能。差分均匀度、非线性度及透明阶作为衡量密码S盒安全性质的三个基本指标,分别刻画了S盒抵御差分密码分析、线性密码分析及差分功耗攻击的能力。当密码S盒输入尺寸较大(如S盒输入长度大于15比特)时在中央处理器(CPU)中的求解所需时间仍过长,甚至求解不可行。如何针对大尺寸输入密码S盒的代数性质进行快速评估是目前业界的研究热点。基于图形处理器(GPU)提出一种快速评估密码S盒代数性质的方法。该方法利用切片技术将内核函数拆分至多线程,并结合求解差分均匀度、非线性度及透明阶的特征提出优化方案,从而实现并行计算。测试结果表明,与基于CPU的实现环境相比,基于单块GPU的环境下的实现效率得到了显著的提升。具体来说,计算差分均匀度、非线性度及透明阶所花时间分别节省了90.28%、78.57%、60%,验证了该方法的有效性。

关键词：对称密码算法密码S盒图形处理器并行计算差分均匀度非线性度透明阶

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SM4算法设计与可重构IP核的实现

SM4算法设计与可重构IP核的实现

作者：缪光耀中原工学院

学位级别：硕士

在云计算、物联网等信息技术高度发达的今天,如何快速安全地进行网络通信与信息交互成为当前研究的一个热点问题。分组密码算法在计算效率、安全程度等方面具有明显优势,被广泛应用于数据保护和安全加密等领域。其中,SM4分组密码算法是... 详细信息

在云计算、物联网等信息技术高度发达的今天,如何快速安全地进行网络通信与信息交互成为当前研究的一个热点问题。分组密码算法在计算效率、安全程度等方面具有明显优势,被广泛应用于数据保护和安全加密等领域。其中,SM4分组密码算法是我国国家密码管理局于2006年公开发布,2012年成为密码行业标准(GM/T 0002-2012),该算法主要包括加解密模块和密钥扩展模块。SM4算法的流水线结构设计虽然可以提高加解密速率,但资源开销较大,不适用于资源受限的终端设备;在实现密钥扩展模块时,其中使用的参数是由固定的取值方法计算得出,易被攻击者破解,带来安全隐患。为此,本文在对SM4密码算法的实现以及增强算法安全性方面做了如下研究:1.研究SM4分组密码算法的基本原理,针对使用流水线结构实现的SM4算法资源开销较大,在资源有限的终端设备中并不适用的问题,采用循环迭代结构,减少用来存储轮密钥的寄存器数量。此外,结合分组密码算法实现模式之一的计数器模式(Counter Mode,CTR),先将计数器生成的计数值作为输入,经过SM4算法加密后将输出结果与明文数据异或得到密文。计数器模式相比其他模式具有支持并行计算的优点,与循环迭代结构结合使用时既可以减少资源开销,也可以兼顾计算速率。实验结果表明,当采用循环迭代结构实现SM4算法时,资源使用数量是流水线结构实现时的11.3%,并且结合CTR模式可并行运算的特点,证明了结合循环迭代结构和CTR模式实现的SM4算法可以兼顾资源开销和运行速率,能够适用于资源有限的终端设备。2.为解决密钥扩展算法中使用的参数取值方法固定,容易带来安全隐患的问题,结合混沌算法进行优化,对SM4算法的密钥进行适当变形作为混沌算法的输入,接着将混沌算法生成的伪随机序列代替固定参数进行计算,由于混沌算法对初始参数的极端敏感性以及长期不可预测性,在保证混沌算法的输出与密钥具有强关联性的同时也提高了算法的安全性。本文选择的三种混沌算法分别是Logistic混沌算法、Rossler混沌算法和Chen混沌算法,三种混沌算法分别与密钥扩展算法相结合,以混沌算法的输出代替固定参数进行运算,并且对这三种结合后的SM4混合算法进行了结构分析,根据三种混合算法的结构特点设计了可重构IP核。3.对实现的三种SM4混合算法进行测试与分析,主要内容包括算法的加解密功能验证以及资源使用情况,对三种SM4混合算法输出的轮密钥进行分析,结果表明三种混合算法均不同程度的提高了轮密钥的随机性与离散程度,算法的安全性能得到提升。最后对三种SM4混合算法整合后的可重构IP核进行分析,结果证明资源使用数量相较分别实现三种混合算法时减少50%并且加解密功能更加灵活。

关键词：对称密码算法 SM4算法资源开销混沌算法