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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

A subspace based method for modelling building’s thermal dynamic in district heating system and parameter extrapolation verification

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Building Simulation 2023年第11期16卷 2145-2158页

作者： Junfeng Zhang Lanbin Liu Yameng Liu University of Science and Technology Beijing 30 Xueyuan RoadBeijing100083China Beijing Nuanliu Technology Co. Ltd.Beijing100083China

The district heating system(DHS)consumes a lot of energy in winter,and its control accuracy needs to be improved urgently.To apply advanced process control(APC)in DHS,the thermal dynamic model of the existing buildings is essential.This paper uses the subspace method which is a data-driven approach for modelling the thermal dynamics of the building.The model’s performance is analyzed using the collected data,and the differences compared to the classical methods are also analyzed.The method reduces the RMSE by about 20%compared with the ARX model for the same complexity.Subsequently,the analysis of the training residuals indicates that the estimate of periodic intra-building disturbance can be obtained by minimizing the training residuals.By introducing the estimated disturbance function,the RMSE on the test set is further reduced by 26%.At the end of the article,a simple parameter extrapolation experiment is conducted,and the result shows that the parameters can be extrapolated to other buildings without large errors.

关键词： modelling district heating system state-space ARX thermal dynamics

Data-Driven Hybrid Neural Fuzzy Network and ARX Modeling Approach to Practical Industrial Process Identification

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IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica 2022年第9期9卷 1702-1705页

作者： Feng Li Tian Zheng Naibao He Qingfeng Cao College of Electrical and Information Engineering Jiangsu University of TechnologyChangzhou 213001China College of Electrical Energy and Power EngineeringYangzhou UniversityYangzhou 225127China

Dear editor,This letter presents a practical industrial process identification scheme.More specifically,to improve the identification accuracy of practical process,a decoupled identification scheme is developed based on neural fuzzy network and autoregressive exogenous(ARX)model,which is based on multi-signal sources.The multiple signal sources include binary signals and random signals.Experimental results of pH neutralization process show that developed identification scheme can provide accurate identification accuracy.

关键词： ARX editor Hybrid

基于SAT的ARX不可能差分和零相关区分器的自动化搜索

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电子学报 2019年第12期47卷 2524-2532页

作者：任炯炯张仕伟李曼曼陈少真战略支援部队信息工程大学

ARX(Addition,Rotation,Xor)算法基于模整数加,异或加和循环移位三种运算,便于软硬件的快速实现.不可能差分分析和零相关分析是攻击ARX的有效方法,攻击的关键是搜索更长轮数、更多数量的不可能差分和零相关区分器.目前很多的搜索方法都... 详细信息

ARX(Addition,Rotation,Xor)算法基于模整数加,异或加和循环移位三种运算,便于软硬件的快速实现.不可能差分分析和零相关分析是攻击ARX的有效方法,攻击的关键是搜索更长轮数、更多数量的不可能差分和零相关区分器.目前很多的搜索方法都没有充分考虑非线性组件的性质,往往不能搜索得到更好、更准确的区分器.本文提出了基于SAT(Satisfiability)的ARX不可能差分和零相关区分器的自动化搜索算法.通过分析ARX算法组件的性质,特别是常规模加和密钥模加这两种非线性运算差分和线性传播的特性,给出了高效简单的SAT约束式.在此基础上,建立SAT模型进行区分器的搜索.作为应用,本文首次给出了Chaskey算法13条4轮不可能差分和1条4轮零相关区分器;首次给出了SPECK32算法10条6轮零相关区分器和SPECK48算法15条6轮零相关区分器;在较短的时间内,给出了HIGHT算法17轮的不可能差分和零相关区分器.与现有结果相比,无论是区分器的条数,还是搜索区分器的时间均有明显的提升.此外,通过重新封装求解器STP的输出接口,建立了自动化的SAT\\SMT分析模型,能够给出ARX算法在特殊输入输出差分和掩码集合下,不可能差分和零相关区分器轮数的上界.

关键词：不可能差分区分器零相关区分器 ARX Chaskey SPECK HIGHT SAT求解器

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ARX结构分组密码积分区分器的自动化搜索

通信学报 2018年第5期39卷 103-110页

作者：韩亚王明生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

首先,基于三子集传播的积分可分性质,分别构造ARX结构分组密码积分的K集和L集传播方程,其中,经过分组密码轮函数异或操作时,L集所有向量影响K集向量传播;然后,利用SAT/SMT求解器,建立ARX结构分组密码积分传播方程;最后,遍历满足一定数... 详细信息

首先,基于三子集传播的积分可分性质,分别构造ARX结构分组密码积分的K集和L集传播方程,其中,经过分组密码轮函数异或操作时,L集所有向量影响K集向量传播;然后,利用SAT/SMT求解器,建立ARX结构分组密码积分传播方程;最后,遍历满足一定数据复杂度的积分输入,自动化搜索缩减轮数的ARX结构分组密码积分区分器。利用该方法能高效地自动化搜索ARX结构,包括类SIMON簇、HIGHT、SPECK簇和LEA等分组密码算法的积分区分器。

关键词： ARX 三子集积分区分器 SAT/SMT

基于理论建模和ARX模型的定位平台系统辨识

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振动与冲击 2013年第13期32卷 66-69,75页

作者：汪静姝郭杰竺长安重庆理工大学机械工程学院重庆400054 中国科学技术大学精密机械与精密仪器系合肥230027

为了解精密定位平台的系统特性,建立了单输入双输出动力学模型,并设计相应的定位实验。对原始实验数据进行离散数据插补和归一化处理,在实验数据和动力学模型的基础上,采用最小二乘法进行未知参数的辨识。采用基于ARX模型的系统辨识方... 详细信息

为了解精密定位平台的系统特性,建立了单输入双输出动力学模型,并设计相应的定位实验。对原始实验数据进行离散数据插补和归一化处理,在实验数据和动力学模型的基础上,采用最小二乘法进行未知参数的辨识。采用基于ARX模型的系统辨识方法对内工作台系统进行辨识。两种辨识结果的对比显示,基于ARX模型的辨识结果与实际数据更加吻合,适合描述系统特性;而基于理论模型的辨识结果则更加贴近系统实际结构,对系统结构优化有指导意义。

关键词：定位平台动力学模型系统辨识 ARX

Automatic Search of Impossible Differentials and Zero-Correlation Linear Hulls for ARX Ciphers

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China Communications 2018年第2期15卷 54-66页

作者： Kai Zhang Jie Guan Bin Hu Zhengzhou Information Science and Technology Institute Zhengzhou 450000 China

In lightweight cryptographic primitives, round functions with only simple operations XOR, modular addition and rotation are widely used nowadays. This kind of ciphers is called ARX ciphers. For ARX ciphers, impossible differential cryptanalysis and zero-correlation linear cryptanalysis are among the most powerful attacks, and the key problems for these two attacks are discovering more and longer impossible differentials(IDs) and zero-correlation linear hulls(ZCLHs). However, finding new IDs and ZCLHs for ARX ciphers has been a manual work for a long time, which has been an obstacle in improving these two attacks. This paper proposes an automatic search method to improve the efficiency of finding new IDs and ZCLHs for ARX ciphers. In order to prove the efficiency of this new tool, we take HIGHT, LEA, SPECK three typical ARX algorithms as examples to explore their longer and new impossible differentials and zero-correlation linear hulls. To the best of our knowledge, this is the first application of automatic search method for ARX ciphers on finding new IDs and ZCLHs. For HIGHT, we find more 17 round IDs and multiple 17 round ZCLHs. This is the first discovery of 17 round ZCLHs for HIGHT. For LEA, we find extra four 10 round IDs and several 9 round ZCLHs. In the specification of LEA, the designers just identified three 10 round IDs and one 7round ZCLH. For SPECK, we find thousands of 6 round IDs and forty-four 6 round ZCLHs. Neither IDs nor ZCLHs of SPECK has been proposed before. The successful application of our new tool shows great potential in improving the impossible differential cryptanalysis and zero-correlation linear cryptanalysis on ARX ciphers..

关键词：线性密码 ARX 关联自动搜索搜索方法翻译模块化攻击

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格式保持密码与ARX密码的分析

格式保持密码与ARX密码的分析

作者：汪达超西安电子科技大学

学位级别：硕士

在计算机信息技术快速普及到社会生活各方面的过程中,信息安全技术作为信息保护技术,受到人们的广泛关注。其中,现代密码学作为一门基于数学理论的严谨的信息安全技术,显得尤为重要。分组密码学是现代密码学中最基础的密码学原语之一,... 详细信息

在计算机信息技术快速普及到社会生活各方面的过程中,信息安全技术作为信息保护技术,受到人们的广泛关注。其中,现代密码学作为一门基于数学理论的严谨的信息安全技术,显得尤为重要。分组密码学是现代密码学中最基础的密码学原语之一,早已成为众多信息安全系统的核心组件之一,确保着通讯系统的信息不被恶意用户查看和保护设备中的数据不被随意获取等。随着信息技术的应用环境变得多样化,不同的使用场景开始对分组密码算法提出更高的要求,如要求加解密速度要到达某个指标、要求密码算法的资源消耗尽可能少和要求密码算法所对应的电路尽可能简单等。由此,各种新的分组密码算法应运而生。作为分组密码学中的两大研究方向,密码设计与密码分析的工作受到了巨大的挑战。如何设计满足需求的密码算法和如何更全面地分析一个分组密码的安全性,受到学术界广泛讨论。本文针对分组密码的设计与分析相关的技术,选取了两个有代表性的难题,并对它们进行研究,由此完成以下两项研究工作。一,本文重新审查了Mix-Swap-Unmix的设计方案,发现该方案存在严重的漏洞。该方案的设计者认为可以通过简化算法的步骤来实现对算法效率的提升,并给出相关的证明。本文针对该设计的证明过程中的漏洞,用严谨的数学方法证明了简化方案的构造是错误的。从而说明该简化方法是不可靠的,同时该算法的设计也需要被进一步研究与讨论。二,本文提出了两个新的自动搜索框架,用于搜索ARX密码的Boomerang攻击,解决了分析过程中的困难。对于这类密码算法中的模加运算组件的Boomerang性质进行分析,本文先设计一个用于快速计算差分传播性质的动态规划算法。基于这个算法,进一步给出了其相应的SAT模型,同时还提供了一个启发式技巧,大幅度提高分析的效率。最后提出了两个Boomerang分析的自动搜索框架,用于搜索新的Boomerang攻击。作为应用的例子,本文选取了SPECK密码和LEA密码,分别展示了所提出的框架的优势。最终找到了新的Boomerang攻击,也实现了对Boomerang切换层更为准确的概率估算。

关键词：分组密码格式保持加密 ARX 自动搜索 Boomerang攻击

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基于改进ARX模型的房间冷负荷预测

控制工程 2019年第12期36卷 2258-2263页

作者：邰敏李占培刘廷章金碧瑶薛凡上海大学机电工程与自动化学院

实时冷负荷的精确预测是优化空调系统运行的关键。针对传统的基于室外气象参数和历史冷负荷的ARX模型低普适性的问题,从变量区间划分出发,提出了带温度索引的ARX模型和基于最小二乘支持向量机(LSSVM)的ARX模型。仿真实验结果表明,提出... 详细信息

实时冷负荷的精确预测是优化空调系统运行的关键。针对传统的基于室外气象参数和历史冷负荷的ARX模型低普适性的问题,从变量区间划分出发,提出了带温度索引的ARX模型和基于最小二乘支持向量机(LSSVM)的ARX模型。仿真实验结果表明,提出两个模型相比于传统ARX模型,精度均有大幅提升。基于LSSVM的ARX模型具有最高的预测精度和普适性。

关键词：房间冷负荷 ARX 温度索引 LSSVM 建筑节能