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物联网环境下feistel结构分组密码的差分故障分析

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应用科学学报 2016年第5期34卷 547-554页

作者：张博亮钟卫东杨晓元武警工程大学电子技术系西安710086

轻量级分组密码作为物联网环境下RFID标签及智能卡等设备通信安全的重要保证,其安全性十分重要.为此,分析了feistel结构轻量级分组密码故障传播规律,并提出了一种深度差分故障分析方法.该方法基于半字节故障攻击原理,对按照feistel结构... 详细信息

轻量级分组密码作为物联网环境下RFID标签及智能卡等设备通信安全的重要保证,其安全性十分重要.为此,分析了feistel结构轻量级分组密码故障传播规律,并提出了一种深度差分故障分析方法.该方法基于半字节故障攻击原理,对按照feistel结构设计的轻量级分组密码可根据故障密文与正确密文的差分分析得到相应密钥信息.对具体的密码算法建立3种不同的攻击模型:单轮半字节故障注入模型、多轮半字节故障注入模型、多轮两个半字节故障注入模型,分别进行差分故障攻击得到该密码算法受差分故障攻击的威胁程度.给出了feistel结构密码算法LBlock的实验结果.

关键词：物联网轻量级分组密码 feistel 差分故障分析攻击模型

分组密码中feistel结构算法的安全性分析

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分组密码中Feistel结构算法的安全性分析

作者：李娴西安电子科技大学

学位级别：硕士

分组密码算法广泛应用于信息通信中的数据加密。它既是密码学中的基础算法和基础理论，也是设计其他密码算法的理论基础和理论构件。目前对分组密码安全性的讨论主要包括差分密码分析、线性密码分析和强力攻击。随着分组密码中新的密码... 详细信息

分组密码算法广泛应用于信息通信中的数据加密。它既是密码学中的基础算法和基础理论，也是设计其他密码算法的理论基础和理论构件。目前对分组密码安全性的讨论主要包括差分密码分析、线性密码分析和强力攻击。随着分组密码中新的密码算法的不断涌现，其中feistel结构算法的设计与分析正朝着多元化的方向发展，因此对其安全性分析具有很大现实意义。本论文的主要工作有：首先，总结分组密码算法设计的一些基础性理论和已有的攻击方法，并对feistel结构进行重点介绍。其次，基于对前面分析方法的研究和认识，针对迭代密码算法提出一种新的选择明文攻击方法----不可能差分-线性分析方法。该分析方法是一种通用的攻击手段，通过构建一个可以链接不可能差分特征和线性特征的区分器实来现对算法的攻击。该方法可以有效应用在我们研究的feistel结构算法。然后，介绍了feistel结构算法中具有代表性的CLEFIA算法，并使用差分-线性分析方法对CLEFIA-128进行分析，攻击轮数为11轮，数据复杂度为2116.52，共恢复密钥96比特。之后，重点介绍了利用本论文提出的不可能差分-线性分析方法对CLEFIA-128算法的分析结果。该攻击对16轮CLEFIA-128算法有效，算法含白板密钥。我们先构造一了个13轮不可能差分-线性区分器。基于该区分器，介绍了对CLEFIA-128的有效攻击，攻击的数据复杂度为2122.73，共恢复96比特密钥。这是目前最好的分析结果。最后，给出了算法研究过程中得到的其他结论，包括另一种13轮不可能差分-线性区分器的构造，对CLEFIA-128算法的另一种16轮攻击结果，和两种对15轮CLEFIA-128算法的攻击结果，以及我们对CLEFIA密钥扩展算法中密钥关系的研究结论。本文的攻击方法对CLEFIA-192和CLEFIA-256依然有效。

关键词： feistel 不可能差分-线性分析 CLEFIA-128 差分-线性分析

嵌套SPN结构的feistel型分组密码的可证明安全性

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嵌套SPN结构的Feistel型分组密码的可证明安全性

作者：刘兴平山东大学

学位级别：硕士

本篇论文主要研究内容是分组密码抵抗差分分析[1]和线性分析[2]的可证明安全性。分组密码体制是私钥密码体制之一,使用广泛。差分分析和线性分析是攻击分组密码的主要分析方法。因此,分析分组密码抵抗差分分析和线性分析的可证明安全性... 详细信息

本篇论文主要研究内容是分组密码抵抗差分分析[1]和线性分析[2]的可证明安全性。分组密码体制是私钥密码体制之一,使用广泛。差分分析和线性分析是攻击分组密码的主要分析方法。因此,分析分组密码抵抗差分分析和线性分析的可证明安全性是十分必要的。根据加密密钥和解密密钥之间的关系,密码体制分为公钥密码体制和私钥密钥体制。私钥密码体制的加密密钥和解密密钥相同,或者由方一很容易确定另方。根据加密方式的不同,私钥密码体制又分为流密码和分组密码。其中,分组密码容易标准化,并且容易软件和硬件实现,是当前非常流行的密码体制。 2000年以前,数据加密标准DES[3]是使用最为广泛的分组密码,对DES的分析也是层出不穷。其中,差分分析和线性分析是分析分组密码的最为有效的方法。随着计算机技术的飞速发展,DES已经不再安全。高级数据加密标准AES应运而生,AES[4]是2000年以后使用的新的分组密码算法。这两个算法是分组密码算法的代表。许多分组密码算法都借鉴了这两种分组密码的设计方法。DES的feistel [5,6]结构和AES的SPN[7,8,9,10]结构广泛的应用于分组密码的设计。随着信息化的高速发展,人们对信息的安全性要求更高。分组密码在信息保密方面有很多优势,因此,得到广泛应用。但分组密码算法的安全性一般难以得到证明,使用未经安全性证明的分组密码算法,存在着很大的风险。本文对嵌套SPN结构的feistel型分组密码算法抵抗差分分析和线性分析的可证明安全性进行分析,目的足分析SPN结构和feistel结构在差分分析和线性分析下的安全性,有利于分组密码的设计。嵌套SPN结构的feistel型分组密码算法的主体结构是feistel结构,轮函数是一轮的或两轮的SPN结构。这种组合可以有效的利用SPN结构的Feiste结构的优点,避免这两种结构的缺点。欧洲最新一代的安全标准NESSIE中两个分组算法之一的Camellia[12]算法是嵌套一圈的SPN结构的feistel型分组密码算法。AES的候选算法中E2[11]算法就是嵌套两圈的SPN结构的feistel型分组密码算法。 E2密码算法是由日本密码学家向美国国家标准技术研究所提交的15种AES候选算法之一。E2密码算法分组长度为128比特,密钥长度可选128/192/256比特,轮数为12轮。其整体结构为feistel结构,轮函数为两圈的SPN结构。SPN结构使用了8个相同的S-盒。SPN结构中线性变换和密钥加运算使用的都是异或运算。在文献[32]中,Jiali Choy主要分析了E2密码算法的S-盒的代数性质,给出了三轮的E2密码算法的差分概率的上界2-55.39。本文介绍了嵌套SPN结构的feistel型分组密码算法抵抗差分分析和线性分析的可证明安全性的方法,这种方法主要考虑的是E2密码算法的线性变换的独立变量的性质。本文用这种方法分析了减少轮数的E2密码算法抵抗差分分析和线性分析的可证明安全性。分别给出了减少轮数的E2密码算法的差分概率的上界和线性概率的上界,主要结果如下：

关键词：分组密码可证明安全性差分分析线性分析 feistel SPN

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流密码算法中的feistel化和S盒设计

流密码算法中的Feistel化和S盒设计

作者：蒋超上海交通大学

学位级别：硕士

流密码算法的研究在算法分析和实际应用中都有着非常重要的地位。如何设计一个好的流密码算法和如何能够更好的分析流密码算法中是否存在漏洞一直是密码学中的研究焦点。本文的主要内容就是作者在流密码算法的分析和设计方面的一... 详细信息

流密码算法的研究在算法分析和实际应用中都有着非常重要的地位。如何设计一个好的流密码算法和如何能够更好的分析流密码算法中是否存在漏洞一直是密码学中的研究焦点。本文的主要内容就是作者在流密码算法的分析和设计方面的一些经验的总结和发展。文章基于feistel化的思想对流密码算法,特别是Dragon算法进行了研究和分析。主要内容包括了如下几点:第一,根据对Dagon算法的研究结论,对陈恭亮教授提出的feistel化的思想做了个人的理解和方法的总结。第二,对Dragon算法中的F函数具体的进行了一次feistel的结构变换,得到了最终变换出的算法框架图,并总结了一些如何能够顺利的进行feistel变换的操作性的经验。第三,以Jacques Patarin的针对feistel框架的泛型攻击（Generic Attack）为例,对如何将已有的攻击方法移植到feistel化之后的算法框架上的问题做了一次尝试和总结了如何在这样的过程中得到密码算法设计上的细节性的经验。第四,由于考虑到feistel化的结构攻击并没有涉及到算法设计方面的内层结构,而为算法提供非线性等性质的主要来源的算法组件S盒的设计和分析是有别于针对于整个算法结构的分析的,所以在文章中作者也整理和总结了已有的S盒设计方面的知识、基本准则和一些具体的优化算法。

关键词： feistel DES S盒设计算法设计泛型攻击

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三类广义feistel结构的中间相遇攻击

三类广义Feistel结构的中间相遇攻击

作者：邓元豪战略支援部队信息工程大学

学位级别：硕士

feistel结构由IBM公司的Horst feistel和Don Coppersmith在1973年设计Lucifer算法时提出,因其具有轮函数选择灵活和加解密相似性等优点,而得到广泛应用。在feistel结构的基础上,又发展出多种feistel结构的衍生结构,如三类广义feistel结... 详细信息

feistel结构由IBM公司的Horst feistel和Don Coppersmith在1973年设计Lucifer算法时提出,因其具有轮函数选择灵活和加解密相似性等优点,而得到广泛应用。在feistel结构的基础上,又发展出多种feistel结构的衍生结构,如三类广义feistel结构(Type-1型、Type-2型和Type-3型)、收缩feistel结构和扩张feistel结构等,这些feistel结构的衍生结构为密码设计者提供了许多新的思路,同时也引起了研究者的广泛兴趣。Guo等人对feistel结构、嵌套SP结构的feistel结构、收缩feistel结构和扩张feistel结构进行了研究并给出了通用密钥恢复方案。但是,对于三类广义feistel结构,目前只有区分攻击的研究,尚未有学者给出对三类广义feistel结构的密钥恢复攻击。本文利用中间相遇攻击的方法,在选择明文攻击条件下,首次给出了Type-1型、Type-2型和Type-3型广义feistel结构的通用密钥恢复方案。主要的研究内容及创新点如下:1.给出了对分组规模为n的d分支Type-1型广义结构的5d-3轮的中间相遇攻击。我们通过利用该结构的特殊性及截断差分特征,给出了该结构的3d-1轮中间相遇区分器。接着通过在区分器头部添加d轮,在区分器尾部添加d-2轮,我们以2(7)d-1(8)n d)的时间复杂度、2(7)d-1(8)n d)的存储复杂度和的2选择明文量给出了Type-1型广义feistel结构的5d-3轮密钥恢复攻击。该攻击结果是现有已知的对Type-1型广义feistel结构最好的密钥恢复攻击。2.给出了对分组规模为n的d分支Type-2型广义结构d(10)3轮的中间相遇攻击。我们通过利用该结构的特殊性及截断差分特征,给出了该结构的d(10)2轮中间相遇区分器。接着通过在区分器头部添加1轮,我们以2(7)d-1(8)n d)的时间复杂度、2(7)d-1(8)n d)的存储复杂度和的2选择明文量给出了Type-2型广义feistel结构的d(10)3轮密钥恢复攻击。该攻击结果是现有已知的对Type-2型广义feistel结构最好的密钥恢复攻击。3.给出了对分组规模为n的d分支Type-3型广义feistel结构的d(10)2轮密钥恢复攻击。我们通过利用一个特殊的截断差分特征,构造了一个d(10)1轮区分器。接着通过在区分器头部添加1轮,我们给出了Type-3型广义feistel结构的d(10)2轮密钥恢复攻击,恢复了第一圈全部d-1个轮函数的子密钥。攻击的数据复杂度为2个选择明文,存储复杂度为2d个分组,每个分组n比特,时间复杂度为2次加密。该攻击结果是已知的对Type-3型广义feistel结构最好的密钥恢复攻击结果。

关键词：分组密码密码分析中间相遇攻击 Type-1 Type-2 Type-3 feistel

Dragon算法中的隐性feistel结构攻击

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信息安全与通信保密 2009年第5期31卷 109-110页

作者：蒋超陈恭亮上海交通大学信息安全学院上海200240 上海市信息安全综合管理技术研究重点实验室上海200240

论文主要提出一种将复杂的流密码算法或者流密码算法中的关键部分进行重新组合以得到一个feistel结构的想法和实例。通过这样的方法,可以把欧洲流密码计划中的很多算法都转换成大家已经熟悉的feistel结构,给密码分析和密码攻击带来了一... 详细信息

论文主要提出一种将复杂的流密码算法或者流密码算法中的关键部分进行重新组合以得到一个feistel结构的想法和实例。通过这样的方法,可以把欧洲流密码计划中的很多算法都转换成大家已经熟悉的feistel结构,给密码分析和密码攻击带来了一定的启示和新的结构方法。

关键词：密码分析流密码 Dragon feistel

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基于周期性质的新型密钥恢复攻击方法

软件学报 2023年第9期34卷 4239-4255页

作者：邹剑邹宏楷董晓阳吴文玲罗宜元福州大学计算机与大数据学院福建福州350108 网络系统信息安全福建省高校重点实验室(福州大学) 福建福州350108 清华大学高等研究院北京100190 中国科学院软件研究所可信计算与信息保障实验室北京100190 惠州学院信息科学技术学院广东惠州516007

针对feistel, Misty与Type-1/2型广义feistel等结构,创新性地将Simon算法的周期性质与生日攻击思想相结合,提出一种新型传统密钥恢复攻击.与Simon算法可以在多项式时间内恢复周期值不同,在传统计算环境下至少需要生日攻击界才能恢复出... 详细信息

针对feistel, Misty与Type-1/2型广义feistel等结构,创新性地将Simon算法的周期性质与生日攻击思想相结合,提出一种新型传统密钥恢复攻击.与Simon算法可以在多项式时间内恢复周期值不同,在传统计算环境下至少需要生日攻击界才能恢复出对应的周期值.利用所提方法,可以在O (2n/4)的选择明文和密文条件下,以O(23n/4)的时间复杂度恢复出5轮feistel-F结构的密钥,对应的存储复杂度为O(2n/4).上述结果比Isobe和Shibutani的工作结果多扩展1轮,并且所需的存储复杂度也更少.对于feistel-FK结构,构造7轮密钥恢复攻击.此外,还将上述方法应用于构造Misty结构和Type-1/2型广义feistel结构的密钥恢复攻击.对于不同的Misty密码方案,分别给出5轮Misty L-F和Misty R-F结构的密钥恢复攻击,以及6轮Misty L-KF/FK和Misty R-KF/FK结构的密钥恢复攻击.对于d分支Type-1型广义feistel结构,给出d2轮的密钥恢复攻击.当d≥6时,对于d分支Type-2型广义feistel结构的新型密钥恢复攻击轮数会优于现有密钥恢复攻击轮数.

关键词： feistel Misty Type-1/2型广义feistel结构密钥恢复攻击 Simon算法周期性质生日攻击

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基于NFSR的密码S盒构造方法研究

基于NFSR的密码S盒构造方法研究

作者：豆道饶桂林电子科技大学

学位级别：硕士

在分组密码算法中,S盒是唯一能够为算法提供非线性变换的部件,为加密算法提供混淆特性。现在大多数针对分组密码算法的攻击都是针对S盒的攻击,因此,S盒的安全性质直接关系到整个密码算法的安全强度。如何设计出能够抵抗数学分析以及侧... 详细信息

在分组密码算法中,S盒是唯一能够为算法提供非线性变换的部件,为加密算法提供混淆特性。现在大多数针对分组密码算法的攻击都是针对S盒的攻击,因此,S盒的安全性质直接关系到整个密码算法的安全强度。如何设计出能够抵抗数学分析以及侧信道攻击的S盒是研究的重点。面对计算机日益增强的计算能力,S盒受到的数学性攻击威胁随之增长。4比特轻量级S盒虽然实现成本较低,但在抵抗数学分析方面能力较弱;8比特S盒与16比特S盒相较于4比特S盒具有更为复杂的数学性质,其抵抗数学分析能力较强。为构造出具有较高抵抗数学分析以及侧信道攻击能力的S盒,本文主要围绕NFSR和密码算法结构进行8比特和16比特S盒构造,主要内容如下:1)NFSR是非线性反馈移位寄存器,具有设计简单,状态更新函数变更灵活的优势。通过设计不同的状态更新函数,构造出不同的NFSR结构。对每个NFSR结构进行不同拍数的迭代,构造出8比特S盒。为提高S盒非线性度并消除固定点,使用Permutation置换操作对基于NFSR构造的S盒进行优化,通过对S盒执行置换操作前后的性质进行对比发现,置换操作提升了基于NFSR构造的S盒的非线性度,并可消除固定点。2)将feistel结构和NFSR相结合,设计一种4轮的平衡二分支feistel-NFSR新结构。在结构中,利用NFSR作为增强扩散性组件,选取通过AES算法S盒仿射等价获得的8比特S盒作为轮函数,增加结构的可变性,并通过遍历搜索16比特S盒。为提高对16比特S盒的测试效率,采用GPU技术并行化实现非线性度等测试指标。测试结果表明,新构造的16比特S盒满足双射性且代数次数达到最优15,非线性度最高为31986,差分均匀度最低为18,信噪比最低为146.423,具有较好的抵御数学攻击和侧信道差分功耗分析的安全性。3)基于Lai-Massey与NFSR相结合,提出一种新的3轮Lai-Massey-NFSR结构。选取与AES算法S盒仿射等价的8比特S盒作为新结构的轮函数,利用满足严格雪崩特性的NFSR增强结构的扩散性,通过遍历搜索得到16比特S盒,并基于GPU并行化实现指标测试。测试结果表明,该结构构造的16比特S盒满足双射性且代数次数达到最优15,非线性度最高为31992,差分均匀度最低为18,信噪比最低为146.712,具有较好的抵御数学攻击和侧信道差分功耗分析的安全性。

关键词： S盒非线性反馈移位寄存器 feistel Lai-Massey 图形处理器

Cryptanalysis of TEA Using Quantum-Inspired Genetic Algorithms

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Journal of Software Engineering and Applications 2010年第1期3卷 50-57页

作者： Wei Hu 不详

The Tiny Encryption Algorithm (TEA) is a feistel block cipher well known for its simple implementation, small memory footprint, and fast execution speed. In two previous studies, genetic algorithms (GAs) were employed to investigate the randomness of TEA output, based on which distinguishers for TEA could be designed. In this study, we used quan-tum-inspired genetic algorithms (QGAs) in the cryptanalysis of TEA. Quantum chromosomes in QGAs have the advan-tage of containing more information than the binary counterpart of the same length in GAs, and therefore generate a more diverse solution pool. We showed that QGAs could discover distinguishers for reduced cycle TEA that are more efficient than those found by classical GAs in two earlier studies. Furthermore, we applied QGAs to break four-cycle and five-cycle TEAs, a considerably harder problem, which the prior GA approach failed to solve.

关键词： Cryptanalysis Distinguisher feistel Block Cipher Genetic Algorithms Optimization Quantum Computing TEA