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密码S盒的一种新自动搜索方法

计算机研究与发展 2020年第7期57卷 1415-1423页

作者：张润莲孙亚平韦永壮李迎新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 广西高校云计算与复杂系统重点实验室(桂林电子科技大学) 广西桂林514004

密码S盒是许多对称密码算法的核心部件,通常决定算法的安全强度.如何设计并确保密码S盒具有一定能力抵御侧信道攻击(如功耗攻击)一直是业界研究的难点.在密码S盒的设计中,除了传统的代数构造外,采用自动搜索工具(如元胞自动机(cellular ... 详细信息

密码S盒是许多对称密码算法的核心部件,通常决定算法的安全强度.如何设计并确保密码S盒具有一定能力抵御侧信道攻击(如功耗攻击)一直是业界研究的难点.在密码S盒的设计中,除了传统的代数构造外,采用自动搜索工具(如元胞自动机(cellular automata, CA))进行搜索设计也是当前研究热点之一.基于CA规则,采用变元分量部分固定和分别搜索的策略,提出了一种S盒新搜索方法.研究结果表明:更多的4×4最优S盒被发现,实现S盒的扩展;特别地,该方法还可以将CA规则下3类4×4次优S盒转化为4×4最优S盒.与已有结果相比较,新发现的4×4最优S盒具有较低透明阶等优点,能更好地抵御侧信道攻击.

关键词： S盒元胞自动机透明阶侧信道攻击自动搜索

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一种检测S盒能量信息泄漏的t检验方法

北京理工大学学报 2021年第5期41卷 542-547页

作者：严迎建郑震郭朋飞朱春生战略支援部队信息工程大学密码工程学院河南郑州450001

提升t检验对分组密码能量信息泄漏的检测效率.介绍了t检验检测能量信息泄漏的基本步骤,通过布尔函数Walsh谱对S盒的非线性性质进行了研究,引入透明阶的概念并推导了其与非线性度的关系式,进而明确了S盒输出位的非线性度与能量信息泄漏... 详细信息

提升t检验对分组密码能量信息泄漏的检测效率.介绍了t检验检测能量信息泄漏的基本步骤,通过布尔函数Walsh谱对S盒的非线性性质进行了研究,引入透明阶的概念并推导了其与非线性度的关系式,进而明确了S盒输出位的非线性度与能量信息泄漏情况之间的关系.提出了一种对S盒输出位实施t检验的顺序进行确定的方法:按照S盒输出位非线性度由大到小的顺序依次进行检验.以DES加密算法第一轮S盒为例进行了验证,结果表明该方法能有效提升t检验对能量信息泄漏的检测效率.

关键词： t检验分组密码能量信息泄漏非线性度透明阶

(n,m)函数抗差分功耗攻击指标的研究综述

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西安电子科技大学学报 2021年第1期48卷 50-60,86页

作者：周宇陈智雄卓泽朋杜小妮保密通信重点实验室四川成都610041 莆田学院福建省应用数学重点实验室福建莆田351100 淮北师范大学数学科学学院安徽淮北235000 西北师范大学数学与统计学院甘肃兰州730070

(n,m)函数是对称密码算法的最基本部件,其密码学性质的优劣一定程度上决定着对称密码算法的安全性。因此,如何设计和分析满足多种密码学性质的(n,m)函数是对称密码部件研究中重要的基础问题。随着对称密码算法的侧信道分析研究的深入,在... 详细信息

(n,m)函数是对称密码算法的最基本部件,其密码学性质的优劣一定程度上决定着对称密码算法的安全性。因此,如何设计和分析满足多种密码学性质的(n,m)函数是对称密码部件研究中重要的基础问题。随着对称密码算法的侧信道分析研究的深入,在(n,m)函数抵抗差分功耗攻击方面出现了一些指标:信噪比、透明阶和混淆系数,这些指标也逐渐成为衡量(n,m)函数密码性能好坏的重要参考之一,目前已被应用在S盒的设计和评估中。从理论角度综述了(n,m)函数的信噪比、透明阶和混淆系数方面研究成果,主要包括:(n,m)函数和布尔函数的信噪比与传统密码学指标的关系;(n,m)函数和布尔函数的透明阶与传统密码学性质的关系,布尔函数与其分解函数的透明阶的关系以及小变元平衡函数透明阶的分布;(n,m)函数的混淆系数刻画;一些公开算法中S盒的三种指标综合分析。最后,给出了这三个指标的研究展望。

关键词： (n,m)函数布尔函数抗差分功耗分析透明阶信噪比混淆系数

具有抵抗DPA攻击能力的高非线性度旋转对称布尔函数的搜索

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山东大学学报（理学版） 2022年第7期57卷 94-102页

作者：师宇郑东赵庆兰李路阳王勇西安邮电大学无线网络安全技术国家工程实验室陕西西安710121 卫士通摩石实验室北京100070

提出了一种有效的搜索算法以实现在旋转对称布尔函数类中搜索具有抵抗DPA攻击能力的高非线性度布尔函数。利用搜索算法在9、10元旋转对称布尔函数中得到了新的透明阶和非线性度等性质良好的函数,其中包括透明阶优于已有结果的函数。此外... 详细信息

提出了一种有效的搜索算法以实现在旋转对称布尔函数类中搜索具有抵抗DPA攻击能力的高非线性度布尔函数。利用搜索算法在9、10元旋转对称布尔函数中得到了新的透明阶和非线性度等性质良好的函数,其中包括透明阶优于已有结果的函数。此外,基于多核并行技术实现了8元旋转对称布尔函数的遍历,首次给出了所有非线性度不低于112的8元旋转对称布尔函数,并对其非线性度、透明阶、代数次数进行了统计分析,这些函数可以用来构造密码学性质优良的S盒。

关键词：侧信道攻击差分能量分析旋转对称布尔函数透明阶非线性度

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S盒抗DPA能力与非线性度的关系

计算机工程 2008年第20期34卷 193-195页

作者：刘连浩沈增晖刘上力段绍华中南大学信息科学与工程学院长沙410083

S盒作为高级加密标准(AES)中的唯一非线性部件,是影响算法性能的重要因素之一,在研究其性质的基础上,将透明阶作为衡量密码系统抗差分功耗分析(DPA)能力的一个指标,推导出高非线性函数透明阶的下界计算公式。实验结果表明,该算法是有效... 详细信息

S盒作为高级加密标准(AES)中的唯一非线性部件,是影响算法性能的重要因素之一,在研究其性质的基础上,将透明阶作为衡量密码系统抗差分功耗分析(DPA)能力的一个指标,推导出高非线性函数透明阶的下界计算公式。实验结果表明,该算法是有效的,在类似AES的分组密码中,S盒非线性度与密码抗DPA能力成反比关系。

关键词：透明阶非线性度分组密码差分功耗分析高级加密标准

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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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抗差分功耗攻击的布尔函数设计与分析

抗差分功耗攻击的布尔函数设计与分析

作者：贾富强电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,差分功耗分析(Differential Power Analysis,DPA)已然成为威胁轻量级分组密码算法安全的有效攻击方式。因此,是否具有抵抗DPA攻击能力是当前分组密码算法设计的重要指标。多输出布尔函数(S盒)是分组密码算法中的唯一非线性组件,... 详细信息

近年来,差分功耗分析(Differential Power Analysis,DPA)已然成为威胁轻量级分组密码算法安全的有效攻击方式。因此,是否具有抵抗DPA攻击能力是当前分组密码算法设计的重要指标。多输出布尔函数(S盒)是分组密码算法中的唯一非线性组件,它的性能在很大程度上决定了分组密码算法的安全性。具有抗DPA攻击能力的分组密码算法的设计进而转化为对具备抗DPA攻击能力的S盒的设计。本文致力于具备抗DPA攻击能力的S盒设计,分别基于遗传算法和密码结构,提出了两类抗DPA攻击的S盒构造方案。主要研究内容如下。首先,对透明阶和信噪比进行了深入分析,得到了如下理论成果:针对坐标函数互不相关的多输出布尔函数,推导得到了改进透明阶的边界;针对平衡多输出布尔函数,推导得到了改进透明阶的上界;基于坐标函数最大Walsh谱,分别推导出了非线性度、改进透明阶和信噪比三者之间的相互关系,得出了非线性度和改进透明阶、非线性度和信噪比之间为制约关系的结论。其次,通过引入混沌映射和概率自适应,提出了基于混沌自适应遗传算法(Chaos Adaptive Genetic Algorithm,CAGA)的S盒构造方案。基于传统遗传算法(Genetic Algorithm,GA)可得到一种S盒构造方案,对该方案仿真分析,发现基于传统GA算法构造S盒存在平衡性难以保证、算法收敛速度较慢、初始种群分布不均匀等不足。本文在初始种群的生成和变异算子中引入混沌映射,并对交叉和变异概率进行了自适应优化,得到了基于CAGA优化算法构造平衡S盒的方案。对该方案的仿真分析表明,基于CAGA优化算法构造平衡S盒具有初始种群分布更平均、算法收敛速度更快的优点。对构造的S盒进行筛选,得到了一批4×4平衡S盒。与目前分组密码算法中常用的S盒相比,通过CAGA优化算法构造的S盒的信噪比和改进透明阶均较低,且非线性度和差分均匀度优良。最后,提出了两种利用Feistel、Lai-Massey结构和Feistel、MISTY结构构造8×8 S盒的方案。分别对这两种方案构造的8×8 S盒进行筛选,共得到四个8×8S盒。计算结果表明,与已有算法中利用密码结构构造的S盒相比,筛选出的S盒的信噪比和改进透明阶均较低。本文构造的S盒具有较低的信噪比和改进透明阶,将这些S盒应用于分组密码设计中,可使得相应的分组密码算法具有较好的抗DPA攻击能力。

关键词：差分功耗攻击透明阶信噪比 S盒布尔函数

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密码函数抗差分功耗攻击指标的研究

密码函数抗差分功耗攻击指标的研究

作者：刘震宇淮北师范大学

学位级别：硕士

密码函数(布尔函数与S盒)是多种密码系统的重要组成部分,其密码学性质的优劣一定程度上反映着密码系统抵抗各种已有攻击的能力.因此如何设计和分析满足多种密码学性质的密码函数是密码系统研究中的重要问题.随着密码算法的侧信道分析研... 详细信息

密码函数(布尔函数与S盒)是多种密码系统的重要组成部分,其密码学性质的优劣一定程度上反映着密码系统抵抗各种已有攻击的能力.因此如何设计和分析满足多种密码学性质的密码函数是密码系统研究中的重要问题.随着密码算法的侧信道分析研究的深入,在密码函数抵抗差分功耗攻击方面产生了一些指标:透明阶、信噪比和混淆系数,这些指标也开始成为衡量其安全性高低的重要参考标准.本文对密码函数的透明阶、信噪比和混淆系数进行研究,得到以下成果:第一,研究密码函数透明阶的界以及透明阶与其他密码学指标之间的关系.首先,利用布尔函数的绝对值指标,分析了布尔函数透明阶的上下界并由此推导出更多密码函数的上下界.其次,证明了S盒透明阶的一般上下界且给出了布尔函数透明阶与信噪比之间的关系,刻画出平衡布尔函数透明阶的上界.最后,基于相关性,构造了透明阶较好的级联布尔函数.第二,基于(n,m)函数信噪比与平方和指标之间的关系,给出了k维线性空间上n元布尔函数信噪比的一个下界.根据两个布尔函数的互相关平方和指标与他们各自平方和指标之间的关系,以及信噪比与平方和指标之间的关系,进一步推导出和函数的信噪比与他们的互相关平方和指标之间的关系,从而分析此时密码函数抵抗DPA攻击的效果.最后总结了多种类型布尔函数信噪比的上下界.第三,首先根据布尔函数的非线性度与混淆系数以及透明阶之间的关系,给出了利用混淆系数刻画布尔函数透明阶上界的一种方法.基于透明阶的定义以及混淆系数平方和与信噪比之间的关系,推导出布尔函数混淆系数平方和与透明阶、信噪比三者之间的关系.最后利用平衡布尔函数混淆系数的平方和与透明阶之间的关系,以及信噪比与非线性度之间的关系,得出了平衡s-plateaued函数的界,进一步推导出汉明重量为k的布尔函数混淆系数平方和的下界.

关键词：布尔函数透明阶信噪比混淆系数绝对值指标

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抗DPA攻击的密码函数研究

抗DPA攻击的密码函数研究

作者：徐友乐南京师范大学

学位级别：硕士

近些年来,差分功耗攻击(Differential Power Attack,DPA)由于其具有很强的攻击效率,在密码学领域引起了广泛的关注。在防御DPA攻击研究方向中,构造生成对DPA攻击具有内在抗性的密码函数是一个非常重要且有趣的研究问题。目前为止,在众多... 详细信息

近些年来,差分功耗攻击(Differential Power Attack,DPA)由于其具有很强的攻击效率,在密码学领域引起了广泛的关注。在防御DPA攻击研究方向中,构造生成对DPA攻击具有内在抗性的密码函数是一个非常重要且有趣的研究问题。目前为止,在众多和DPA攻击相关的密码学性质中,透明阶(Transparency Order,TO)以及修改后的透明阶(Modified Transparency Order,MTO)是受到关注最多的一类,该性质被视为评估密码函数固有DPA抗性的最佳密码学性质之一。2019年,Li等人发现TO定义中存在的严重缺陷,虽然在MTO的定义中给出了修改,但是仍然略有不足。并且他们给出了修正透明阶(Revised Transparency Order,RTO)的定义。基于此,本文主要作了以下几个方面的工作:第一,提出了有效的搜索策略来搜索具有高的非线性度和优良DPA抗性的平衡布尔函数。基于该启发式搜索算法,本文给出了关于5～11元布尔函数在透明阶方面的结果(本文首次给出9元以上布尔函数关于透明阶指标的结果):1.对于8元布尔函数,我们改进了Stjepan Picek等人以及Ashish Jain和Narendra ***给出的最优结果。同时,这些结果具有更佳的代数次数和绝对值指标。2.对于9～11元布尔函数,我们给出许多不错的结果。特别地,Wang和St(?)nic(?)在Designs,Codes and Cryptography中,提出了一个公开问题,即是否可以通过启发式搜索算法搜索到非线性度240同时透明阶比0.9745更低的平衡布尔函数。本文首次解决了这一问题,给出了平衡布尔函数具有非线性度240,透明阶0.9617的结果。同时,我们还得到了具有非线性度240,透明阶指标0.9645,同时满足1阶扩散性质和1次弹性的函数。3.此外,对于5～7元布尔函数,本文通过暴力穷举的方法,验证了基于本算法得到的5～7元布尔函数是旋转对称空间中的最优解,即拥有最高非线性度的同时具有最低透明阶的结果。第二,提出了高效且易实现的搜索策略,构造生成了具有高非线性度、低差分一致性同时具有更佳DPA抗性的平衡S盒(本文是首次基于启发式搜索算法给出S盒关于RTO的结果)。利用该算法,本文主要针对S盒和S盒得到了以下结果:1.对于6比特输出S盒,Carlet等人在2021年的IEEE Transactions on Information Forensics and Security中给出了非线性度24,差分一致性4的最好结果具有TO值5.714,以及RTO值5.4603。这个TO结果也是Evic和Kavut在旋转对称空间中给出的全局最优解。而我们构造生成的S盒,其TO指标、RTO指标和绝对值指标都比它们的要好。2.对于8比特输出S盒,我们首次给出了关于透明阶(MTO和RTO)在非线性度112和差分一致性4水平上S盒的结果。这些结果同时具有最优的代数次数7和最佳的绝对值指标32。其中,在这个水平上最优的MTO值为6.8822,最优的RTO值为7.5022。作为对比,AES Rijndael算法中采用的S盒具有MTO值6.91RTO值7.5402,SNR值9.6000。这表明本文所构造生成的S盒具有不错改进的DPA抗性。3.对于非线性度102～110的S盒,本文也得到了不错的结果。通过与已有工作对比。特别地,本文构造生成的S盒比Mazumdar和Mukhopadhyay在IEEE Transactions on Computers 2019中以及Georgi等人在Cryptography and Communications Discrete Structures 2016中给出的结果在差分一致性、绝对值指标、MTO、RTO等等重要密码学性质上都具有较优的改进。

关键词：密码函数差分功耗攻击非线性度透明阶