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基于MILP的相关密钥差分分析安全评估算法改进

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密码学报 2023年第1期10卷 181-194页

作者：周春宁张文涛曹文芹中国科学院信息工程研究所信息安全国家重点实验室北京100093 中国科学院大学网络空间安全学院北京100049 山东理工大学数学与统计学院淄博255000

近年来,基于混合整数线性规划(MILP)的密码分析方法在对称密码的安全性分析中发挥了重要作用. Zhou等人在FSE 2020上提出了结合分治法,大幅度提高基于MILP的差分和线性特征搜索方法效率.本文将Zhou等人的方法扩展到相关密钥差分特征搜索... 详细信息

近年来,基于混合整数线性规划(MILP)的密码分析方法在对称密码的安全性分析中发挥了重要作用. Zhou等人在FSE 2020上提出了结合分治法,大幅度提高基于MILP的差分和线性特征搜索方法效率.本文将Zhou等人的方法扩展到相关密钥差分特征搜索,提出了一种更高效的基于MILP的相关密钥差分分析安全评估新算法.应用新算法评估了PRESENT-80/128抵抗相关密钥差分分析的安全性,得到了高达15轮的最小活跃S盒数量和高达12轮的最优相关密钥差分特征,并由此得到了迄今最紧的PRESENT-80/128抵抗相关密钥差分分析安全界.找到了一条概率为2^(-62)的15轮PRESENT-80相关密钥差分特征,和一条概率为2-60的16轮PRESENT-128相关密钥差分特征,是目前对于PRESENT-80/128轮数最长的相关密钥差分特征.

关键词：分组密码相关密钥差分分析 MILP PRESENT-80/128

RECTANGLE-80的相关密钥差分分析

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信息安全学报 2019年第4期4卷 94-108页

作者：王沙沙张文涛向泽军中国科学院信息工程研究所信息安全国家重点实验室中国北京100093 中国科学院大学网络空间安全学院中国北京100049

轻量级分组密码RECTANGLE采用SPN结构,分组长度是64比特,密钥长度是80或128比特,迭代轮数是25轮。其采用比特切片技术,在软硬件实现方面均有很好的性能。本文以Matsui和Moriai等人的自动化搜索算法为基础,采用包珍珍等人提出的2种优化策... 详细信息

轻量级分组密码RECTANGLE采用SPN结构,分组长度是64比特,密钥长度是80或128比特,迭代轮数是25轮。其采用比特切片技术,在软硬件实现方面均有很好的性能。本文以Matsui和Moriai等人的自动化搜索算法为基础,采用包珍珍等人提出的2种优化策略,对RECTANGLE-80版本进行相关密钥差分分析。我们对最窄点处的密钥状态差分进行限制,使最窄点密钥状态差分的汉明重量取值范围分别属于区间[1,1],[1,2],[1,3],[1,4],[1,5]五种情况,目的是求得此五种情况下前9轮相关密钥差分最大概率及其对应的路径。我们获得了此5种情况前8轮的最大概率及其对应的路径,前2种情况9轮最大概率及其对应路径和后3种情况9轮最大概率的上界。以上5种情况的结果显示,当取值范围属于后三种情况时,前8轮的最大概率是相同的,由此说明随着取值范围的扩大,最大概率趋向稳定。当最窄点密钥状态差分的汉明重量取值范围属于[1,1]或[1,2]时,9轮的最大概率为2^-42。当取值范围分别是[1,3],[1,4]和[1,5]时,9轮最大概率的上界分别是2^-41,2^-37,2^-34。我们预测9轮最大概率的上界是2^-41,由此可以预测18轮的最大概率的上界是2^-82,从而RECTANGLE-80可以抵抗相关密钥差分分析。这是目前RECTANGLE抵抗相关密钥密码分析安全性评估最好结果。

关键词：轻量级分组密码 RECTANGLE 相关密钥差分分析自动化搜索差分特征

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轻量级分组密码LED的相关密钥差分分析

信息安全学报 2020年第1期5卷 35-43页

作者：樊婷韦永壮武小年张润莲桂林电子科技大学广西无线宽带通信与信号处理重点实验室中国桂林541004 桂林电子科技大学广西密码学与信息安全重点实验室中国桂林541004 广西高校云计算与复杂系统重点实验中国桂林541004

在CHES2011国际会议上,轻量级分组密码算法LED被郭等人提出,该密码算法具有硬件实现规模小,加解密速度快等优点,因而备受业界关注。目前设计者给出了单密钥攻击模型下LED算法活跃S盒个数的下界,以评估其抵御经典差分密码分析的能力。然... 详细信息

在CHES2011国际会议上,轻量级分组密码算法LED被郭等人提出,该密码算法具有硬件实现规模小,加解密速度快等优点,因而备受业界关注。目前设计者给出了单密钥攻击模型下LED算法活跃S盒个数的下界,以评估其抵御经典差分密码分析的能力。然而,相关密钥攻击模型下LED算法抵御差分密码分析的能力仍有待进一步解决。本文基于LED密码算法的结构及密钥编排特点,结合面向字节的自动化搜索方法,构建了适用于相关密钥差分分析的混合整形规划(MILP)搜索模型。研究结果表明:全轮LED-64至少存在100个活跃S盒,全轮LED-128至少存在150个活跃S盒;15轮简化LED算法足以抵抗相关密钥差分分析。此外,针对多种变体的LED密钥编排方法进行了测试,找到了一些新的密钥编排方案,并使LED算法具有最佳能力抵御相关密钥差分分析。

关键词：混合整数规划(MILP) 活跃S盒相关密钥差分分析 LED算法

基于相关密钥差分分析和中间相遇攻击的分组密码安全性分析

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基于相关密钥差分分析和中间相遇攻击的分组密码安全性分析

作者：翁天翎杭州电子科技大学

学位级别：硕士

现代社会正驶入信息技术发展快车道,云计算、区块链等新兴数字产业在各行各业中快速落地。分组密码一直承担着保护信息安全、维护机密性的重要任务,为信息技术的发展提供了关键支持。在资源有限的环境中,轻量级分组密码的使用越来越受... 详细信息

现代社会正驶入信息技术发展快车道,云计算、区块链等新兴数字产业在各行各业中快速落地。分组密码一直承担着保护信息安全、维护机密性的重要任务,为信息技术的发展提供了关键支持。在资源有限的环境中,轻量级分组密码的使用越来越受到关注,其中包括采用Feistel结构和ARX结构的密码算法。为确保这些分组密码的安全性,密码分析者必须对它们展开全面的研究和评估。只有在确保安全可靠的前提下,这些分组密码才能得到广泛应用。本文挑选了轻量级分组密码LBlock、LBlock算法的升级版本LBlock-s以及J算法作为研究对象,并根据它们的特点分别采用相关密码差分分析和中间相遇攻击来研究它们的安全性。本文主要的研究成果如下:首先,本文利用基于SMT的自动化搜索模型评估了LBlock算法抵抗相关密钥差分分析的能力。本文给出了到19轮为止更紧的活跃S盒个数的下界,比以前的结果要多覆盖至少8轮。并且,本文首次给出了到19轮为止概率的上界,通过概率得到的安全边界更加可靠。进一步地,本文提出了一种统计区分器扩展轮数中活跃S盒个数的办法以改进现有的SMT自动化搜索模型,并利用改进后的模型给出了17轮LBlock算法的相关密钥差分区分器,实现了对22轮和23轮LBlock算法的相关密钥差分攻击。这两次攻击的结果是至今为止对LBlock算法最优的相关密钥差分攻击结果。其次,本文利用基于SMT的自动化搜索模型评估了LBlock-s算法抵抗相关密钥差分分析的能力。本文借助改进后的模型得到18轮LBlock-s算法的相关密钥差分区分器,实现了对22轮LBlock-s算法的相关密钥差分攻击。该结果是至今为止对LBlock-s算法最优的相关密钥差分攻击结果。最后,本文给出J算法的中间相遇攻击结果。对1～8轮J算法的实际密钥恢复攻击,时间复杂度不超过2.次全轮加密,对9～22轮J算法的实际密钥恢复攻击,时间复杂度不超过2次全轮加密。本文得到了1～22轮J算法的密钥恢复攻击结果,该成果最终在2022年全国密码数学挑战赛中获得了三等奖。

关键词：分组密码 LBlock 相关密钥差分分析中间相遇攻击可满足性模理论