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流密码框架下的SM4专用认证加密算法

计算机工程与应用 2024年第2期60卷 272-278页

作者：李胡彭长根侯金秋公共大数据国家重点实验室贵阳550025 贵州大学计算机科学与技术学院贵阳550025

认证加密算法是能同时满足数据机密性与完整性的对称密码算法,在数据安全领域具有广泛应用。针对基于分组密码的认证加密算法的安全性以及效率需求,提出一种基于SM4轮函数的专用认证加密算法SMRAE。算法采用流密码思想,从SM4底层部件出... 详细信息

认证加密算法是能同时满足数据机密性与完整性的对称密码算法,在数据安全领域具有广泛应用。针对基于分组密码的认证加密算法的安全性以及效率需求,提出一种基于SM4轮函数的专用认证加密算法SMRAE。算法采用流密码思想,从SM4底层部件出发,结合Feistel结构设计状态更新函数用于轮变换,处理256 bit消息只需调用4个SM4轮函数指令。在初始化阶段将初始向量和密钥经过16轮迭代,使差分充分随机化;利用SM4加密消息,将生成的密文参与轮变换,实现状态更新和加密并行;解密时先进行消息认证,降低时间消耗,提高算法安全性。安全性分析与实验结果表明SMRAE能够抵抗伪造攻击、差分攻击和猜测攻击等主流攻击,效率高于AES-GCM,与SM4效率相当,具备一定的实用性。

关键词： SM4 认证加密分组密码 Feistel结构流密码

流密码非线性布尔函数可重构运算单元设计方法RA-NLBF

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计算机应用 2023年第11期43卷 3527-3533页

作者：张宗仁戴紫彬刘燕江张晓磊解放军信息工程大学郑州450001 31642部队云南临沧677000

分组密码中的S盒(多输出)以及流密码中的反馈函数都需要特殊的布尔函数来保证密码算法的安全性。为解决现有流密码算法中非线性布尔函数(NLBF)可重构硬件运算单元资源占用过大、时钟频率低等问题,提出一种高效的基于与非锥(AIC)的NLBF... 详细信息

分组密码中的S盒(多输出)以及流密码中的反馈函数都需要特殊的布尔函数来保证密码算法的安全性。为解决现有流密码算法中非线性布尔函数(NLBF)可重构硬件运算单元资源占用过大、时钟频率低等问题,提出一种高效的基于与非锥(AIC)的NLBF可重构运算单元设计方法(RA-NLBF)。以密码学理论为基础,在着重分析多种流密码算法的NLBF特性,提取了涵盖与项次数、与项个数、输入端口数等NLBF函数特征的基础上,提出基于“混合极性Reed-Muller(MPRM)”和“传统布尔逻辑(TB)”双逻辑混合形式的NLBF化简方法,NLBF的与项数量减少29%,形成了适用于AIC的NLBF表达式;根据化简后的表达中与项个数、与项次数分布等特征,设计了可重构AIC单元和互联网络,形成可满足现有公开流密码算法中的NLBF运算的可重构单元。基于CMOS 180 nm工艺对提出的RA-NLBF进行逻辑综合验证,结果显示该方法的面积为12949.67μm^(2),时钟频率达到505 MHz,与现有相同功能的单元可重构序列密码逻辑单元(RSCLU)相比,面积减少了59.7%,时钟频率提高了37.3%。

关键词：流密码可重构实现非线性布尔函数与非锥混合极性RM

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流密码算法可重构架构设计与实现

流密码算法可重构架构设计与实现

作者：刘玲哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

数据规模近年来增长迅猛,信息安全的地位日渐凸显,流密码作为一种保密性良好、加解密速度快、常用于国防军事等安全性需求较高的领域的加密体制,发挥着重要作用。为了做好信息安全基础设施服务的保障,流密码算法的实现载体要在灵活性、... 详细信息

数据规模近年来增长迅猛,信息安全的地位日渐凸显,流密码作为一种保密性良好、加解密速度快、常用于国防军事等安全性需求较高的领域的加密体制,发挥着重要作用。为了做好信息安全基础设施服务的保障,流密码算法的实现载体要在灵活性、性能和安全性等指标之间进行权衡,可重构密码处理器可以在保证一定处理速度的前提下同时满足一个信息安全解决方案对多种密码算法的需求,而且安全性也是有保障的。本文面向流密码算法设计了一种可重构架构。主要从以下方面进行了研究:（1）回顾了流密码的发展历程,对流密码算法的设计结构进行了分析,归纳了流密码算法设计中的构建块,并以此作为依据对流密码算法进行了设计结构上的分类;根据分类选取了目标流密码算法,并研究了目标流密码算法的结构特征和数据流特征;从可重构计算思想角度出发,对目标流密码算法的结构和操作进行了分解,提取了目标流密码算法的共性逻辑。（2）对可重构密码处理器的关键技术,即存储单元、重构粒度、运算功能、互连结构、配置信息进行了研究,并以此作为切入点,完成了面向流密码算法的可重构架构的设计,主要针对可重构反馈移位寄存器阵列、抽头抽取结构、可重构运算单元阵列、反馈数据选择模块、配置信息进行了研究与设计。（3）对所设计的可重构架构进行了实现,选取结构存在差异且实际应用价值较高的ZUC、Grain v1、Cha Cha20算法,设计了三个算法在可重构架构上的映射方案,并完成RTL代码编写,利用Model Sim仿真验证无误后,通过逻辑综合的结果完成了对三个典型流密码算法在此架构上实现的性能指标的评估。在TSMC 55nm工艺下,本文所设计的可重构架构的时钟频率可达到1000MHz,面积为979k GE,相比于目前其它支持流密码算法的可重构密码处理器,操作粒度较大的流密码算法在本文所设计的可重构架构上的实现性能和面积效率均有显著提高,如ZUC算法吞吐率提高了2.5～10倍。虽然操作粒度较小的流密码算法的实现性能相对较低,但是这三种结构存在差异的流密码算法在该可重构架构上均可得到支持,也表明了该架构的灵活性比较高。

关键词：流密码流密码实现可重构计算可重构密码处理器

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ZUC-256流密码轻量级硬件设计与实现

数据采集与处理 2022年第3期37卷 695-702页

作者：李沐崔益军倪子颖王成华刘伟强北京卫星信息工程研究所北京100086 南京航空航天大学电子信息工程学院/集成电路学院南京211106

ZUC‑256是由中国开发的一种应对于5G通信和量子计算机的流密码,该算法主要包含ZUC‑256流密码和一种基于该流密码的完整性算法(EIA3)。本文设计了2种不同的ZUC‑256流密码轻量级电路结构,以及1种基于ZUC‑256流密码的EIA3算法结构。基于FPG... 详细信息

ZUC‑256是由中国开发的一种应对于5G通信和量子计算机的流密码,该算法主要包含ZUC‑256流密码和一种基于该流密码的完整性算法(EIA3)。本文设计了2种不同的ZUC‑256流密码轻量级电路结构,以及1种基于ZUC‑256流密码的EIA3算法结构。基于FPGA对设计的电路结构和算法结构进行实现,并进行了性能对比。对比结果表明:本文设计的2种电路结构最高达到了6.72 Gb/s的吞吐率,相较于现有的ZUC‑256电路设计在速度上提高了45.24%;本文设计的2种电路相较于之前的ZUC‑128占用资源更少,在面积上分别减少38.48%和30.90%;本文设计的EIA3算法结构仅用0.71μs即可对128位的数据进行加密。

关键词：流密码 ZUC‑256 FPGA 硬件安全轻量级加密

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流密码算法、架构与硬件实现研究

密码学报 2021年第6期8卷 1039-1057页

作者：赵石磊刘玲黄海徐江刘志伟于斌哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院哈尔滨150080

流密码算法的设计与实现一直是密码学领域的研究热点之一.随着应用环境的多样化以及安全需求的提高,流密码算法的设计结构和高效实现也面临着新的挑战.本文首先回顾流密码的发展历史,介绍最新的研究成果,整理流密码发展过程中部分主要... 详细信息

流密码算法的设计与实现一直是密码学领域的研究热点之一.随着应用环境的多样化以及安全需求的提高,流密码算法的设计结构和高效实现也面临着新的挑战.本文首先回顾流密码的发展历史,介绍最新的研究成果,整理流密码发展过程中部分主要国家和地区发起的流密码相关项目以及相关标准;随后,归纳流密码设计中常见的构建块,并对流密码的设计作分类,跟踪不同分类中典型算法的发展脉络,同时对主流的设计分类进行分析、举例;然后,从可重构计算的角度对典型流密码的算法结构进行分解,提取计算算子,总结运算种类并分析基本运算单元的使用情况,基于这些研究设计一个面向流密码算法的通用的可重构计算密码处理架构.最后,在分析当前流密码算法需要解决的一些关键问题后,从不同角度展望流密码的发展趋势.

关键词：流密码流密码设计流密码实现可重构

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卫星电话GMR-2流密码算法碰撞特性分析

通信学报 2018年第2期39卷 88-95页

作者：李瑞林胡娇唐朝京国防科技大学电子科学学院湖南长沙410073

研究了卫星电话GMR-2流密码算法的碰撞特性,以算法的F组件为桥梁,通过分析密钥差分与算法F组件输出碰撞以及F组件输出碰撞与密钥流字节碰撞之间的联系,最终得到密钥差分与密钥流碰撞之间的关系。研究表明,对于相同的帧号,当密钥对只在... 详细信息

研究了卫星电话GMR-2流密码算法的碰撞特性,以算法的F组件为桥梁,通过分析密钥差分与算法F组件输出碰撞以及F组件输出碰撞与密钥流字节碰撞之间的联系,最终得到密钥差分与密钥流碰撞之间的关系。研究表明,对于相同的帧号,当密钥对只在某一个字节上有差分,且差分的前4 bit与后4 bit相等时,该密钥对将以高概率使密钥流发生碰撞。实验结果显示,密钥流碰撞概率为2^(-8.248),远远高于理想碰撞概率2^(-120)。这再次证明了GMR-2加密算法存在较大的安全隐患。

关键词：卫星电话流密码 GMR-2 碰撞分析

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流密码的设计与分析:回顾、现状与展望

密码学报 2016年第6期3卷 527-545页

作者：张斌徐超冯登国中国科学院软件研究所计算机科学国家重点实验室可信计算与信息保障实验室北京100190

流密码的设计与分析一直都是密码学中的核心问题之一.上世纪40年代,Shannon证明了一次一密体制在唯密文攻击下在理论上的完善保密性,激发了流密码研究的热潮,自此流密码的设计都是围绕着如何产生接近完全随机的密钥流序列来进行,发展出... 详细信息

流密码的设计与分析一直都是密码学中的核心问题之一.上世纪40年代,Shannon证明了一次一密体制在唯密文攻击下在理论上的完善保密性,激发了流密码研究的热潮,自此流密码的设计都是围绕着如何产生接近完全随机的密钥流序列来进行,发展出了基于线性反馈移位寄存器(LFSR)的若干设计范例,许多基于此而设计的流密码纷纷被提出,比如用于GSM通信安全的A5/1和蓝牙加密算法E0等,同时也出现了像RC4等基于随机洗牌的设计范式.在欧洲NESSIE和e STREAM计划之后,流密码的设计日趋多样化,大量基于非线性反馈移位寄存器(NFSR)和基于分组密码扩散与混淆模块而设计的算法相继被提出,以抵抗基于LFSR线性性质而发展的(快速)相关攻击与(快速)代数攻击等.本文将首先回顾流密码设计与分析的发展历程,系统地综述流密码设计与分析中的若干关键技术与方法,同时介绍了目前最新的研究成果,以及这个方向上目前需要解决的一些关键问题,最后试着展望了一下未来流密码的发展方向.

关键词：流密码流密码分析流密码设计

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流密码快速相关攻击综述

江苏大学学报（自然科学版） 2017年第5期38卷 563-570页

作者：潘森杉夏文涛王良民江苏大学计算机科学与通信工程学院江苏镇江212013

为了分析流密码密钥流生成器在抵御快速相关攻击方面的安全性,对各种快速相关攻击算法进行了研究.介绍了快速相关攻击的基本模型,对相关研究成果进行了归纳与梳理.分析了一次通过方法、迭代译码方法和多步法方法这三类方法的优缺点.然... 详细信息

为了分析流密码密钥流生成器在抵御快速相关攻击方面的安全性,对各种快速相关攻击算法进行了研究.介绍了快速相关攻击的基本模型,对相关研究成果进行了归纳与梳理.分析了一次通过方法、迭代译码方法和多步法方法这三类方法的优缺点.然后介绍目前的最新进展:扩域上快速相关攻击和采用单项式映射的快速相关攻击.接着讨论快速相关攻击的实际应用,并与其他攻击方法进行了比较分析.最后展望了未来的研究方向,即改进扩域上快速相关攻击算法,改进算法攻击新的流密码方案,综合使用多种攻击方法来破解流密码方案,将快速相关攻击应用到其他密码方案上.

关键词：快速相关攻击流密码密钥流生成器线性反馈移位寄存器校验等式

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流密码中的布尔函数设计研究进展

河南师范大学学报（自然科学版） 2017年第3期45卷 24-33页

作者：张卫国李路阳西安电子科技大学通信工程学院西安710071 保密通信重点实验室成都610041

密码函数,主要包括单输出布尔函数和多输出布尔函数,在流密码及分组密码系统中扮演着重要角色.在基于线性反馈移位寄存器的流密码系统中为了抵抗各种攻击,一个好的密码函数需要满足以下指标:较高的非线性度、平衡性、低阶相关免疫性、... 详细信息

密码函数,主要包括单输出布尔函数和多输出布尔函数,在流密码及分组密码系统中扮演着重要角色.在基于线性反馈移位寄存器的流密码系统中为了抵抗各种攻击,一个好的密码函数需要满足以下指标:较高的非线性度、平衡性、低阶相关免疫性、高的代数次数,高代数免疫阶等等.主要总结了近年来在高非线性度弹性密码函数,具有最优代数免疫度的函数和具有良好自相关性质的函数等研究方面的进展,并对其后续工作进行了展望.

关键词：流密码布尔函数非线性度弹性代数免疫自相关性质