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sm4密码算法的唯密文故障分析

计算机学报 2022年第8期45卷 1814-1826页

作者：李玮汪梦林谷大武温云华李嘉耀张雨希东华大学计算机科学与技术学院上海201620 上海交通大学计算机科学与工程系上海200240 上海交通大学上海市可扩展计算与系统重点实验室上海200240

sm4算法是我国公布的首个商用密码算法,用于保护WAPI无线局域网标准中的数据传输,2012年成为国家密码行业标准,2021年作为ISO/IEC国际标准正式发布.在唯密文攻击中,攻击者除了所截获的密文,没有其它可利用的信息,因而获取的信息最少、... 详细信息

sm4算法是我国公布的首个商用密码算法,用于保护WAPI无线局域网标准中的数据传输,2012年成为国家密码行业标准,2021年作为ISO/IEC国际标准正式发布.在唯密文攻击中,攻击者除了所截获的密文,没有其它可利用的信息,因而获取的信息最少、攻击难度较大.目前,国内外未有公开发表的sm4算法抵抗唯密文攻击的结果.本文采用巴氏系数-汉明重量、詹森香农散度-汉明重量和詹森香农散度-汉明重量-极大似然估计等新型区分器对sm4算法实施唯密文故障分析.仿真实验表明,该方法最少仅需要136个随机故障,可以破译sm4算法的128比特主密钥,且在准确度、成功率、耗时和复杂度等方面攻击效果佳.该结果为无线局域网中密码算法的安全性分析和实现提供了重要参考.

关键词：故障分析 sm4 唯密文攻击分组密码密码分析

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面向物联网的sm4轻量级优化实现

电子学报 2024年第6期52卷 1888-1895页

作者：蒲金伟滕亚辉高倾健郑欣徐迎晖广东工业大学自动化学院广东广州510006 广东工业大学集成电路学院广东广州510006

针对物联网芯片中对加密算法低面积、高吞吐率需求的增加,提出了速度优先、面积优先、面积速度权衡的3种sm4轻量级硬件实现方案.面积优先方案中,对线性函数L/L'进行优化实现,减少48位寄存器以及120比特的异或资源的使用;速度优先方案中... 详细信息

针对物联网芯片中对加密算法低面积、高吞吐率需求的增加,提出了速度优先、面积优先、面积速度权衡的3种sm4轻量级硬件实现方案.面积优先方案中,对线性函数L/L'进行优化实现,减少48位寄存器以及120比特的异或资源的使用;速度优先方案中,引入2个新的S盒,实现线性函数L/L'与查找表S盒的合并,从而避免线性函数L/L'的时延;面积速度权衡方案中,合并S盒线性映射、逆线性映射以及线性函数L/L'为一个函数,将加密计算均映射到复合域中进行,减少一个S盒线性映射时延,进一步提高速度.与目前已有方案进行比较,面积优先方案面积减少约5.5%~44.8%以上,仅2371 GE,功耗仅为0.88 mW,最大频率为324 MHz;速度优先方案面积为3061 GE,最大频率提高约9.8%以上,可达549 MHz,吞吐率为439.2 Mbps.

关键词：物联网 sm4 轻量级 S盒优化设计

基于复合域sm4密码算法S盒的量子电路实现

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电子科技大学学报 2022年第6期51卷 812-818页

作者：罗庆斌李晓瑜杨国武牛伟纳李强湖北民族大学智能科学与工程学院湖北恩施445000 电子科技大学信息与软件工程学院成都610054 电子科技大学计算机科学与工程学院成都611731

S盒是sm4分组密码算法中重要的非线性组件。使用Toffoli门、CNOT门和NOT门构建S盒的量子电路。首先,基于S盒的代数表达式,通过同构映射矩阵,将有限域GF(28)中的求逆运算转化到有限域GF((24)2)中的运算;其次,在GF(24)中分别给出了平方计... 详细信息

S盒是sm4分组密码算法中重要的非线性组件。使用Toffoli门、CNOT门和NOT门构建S盒的量子电路。首先,基于S盒的代数表达式,通过同构映射矩阵,将有限域GF(28)中的求逆运算转化到有限域GF((24)2)中的运算;其次,在GF(24)中分别给出了平方计算、乘法计算和求逆运算的量子电路;再次,通过最小化同构矩阵中“1”元素的个数,求出最优的同构映射矩阵,并给出相应的量子电路;然后,通过高斯消元法给出S盒表达式中仿射变换的量子电路;最后,综合出sm4密码算法S盒的量子电路。该量子电路的正确性通过IBM量子平台的Aer模拟器进行了验证。复杂度分析表明:所给出S盒的量子电路一共使用了21个量子比特,55个Toffoli门、176个CNOT门和10个NOT门,电路深度为151。相比于已有结果,所使用的量子资源进一步减少,效率进一步提高。

关键词：代数运算复合域量子电路 S盒 sm4

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白盒sm4的中间值平均差分分析

西安电子科技大学学报 2022年第1期49卷 111-120页

作者：张跃宇徐东蔡志强陈杰西安电子科技大学网络与信息安全学院陕西西安710071 西安电子科技大学综合业务网理论与关键技术国家重点实验室陕西西安710071 中国人民解放军66061部队山西阳泉100141 桂林电子科技大学广西密码学与信息安全重点实验室广西桂林541004

在白盒攻击环境中,攻击者对密码系统拥有全部的访问权限。为保证在白盒攻击环境下密钥的安全性,提出了白盒密码的概念。2016年,BOS等人首次将侧信道分析思想引入白盒密码的分析工作中,提出差分计算分析方法,开创了白盒密码分析的新路径... 详细信息

在白盒攻击环境中,攻击者对密码系统拥有全部的访问权限。为保证在白盒攻击环境下密钥的安全性,提出了白盒密码的概念。2016年,BOS等人首次将侧信道分析思想引入白盒密码的分析工作中,提出差分计算分析方法,开创了白盒密码分析的新路径。差分计算分析以白盒密码程序运行过程中的软件执行轨迹为分析对象,采用统计分析的方法执行密钥提取,是否掌握白盒密码的设计细节对分析几乎不产生影响。白盒sm4是商用密码标准算法sm4在白盒安全模型下的密码实现。为高效地评估白盒sm4的安全性,在对差分计算分析进行研究的基础上,提出一种针对白盒sm4的侧信道分析方法,称为中间值平均差分分析方法(IVMDA)。IVMDA直接利用加密过程中的中间值进行分析,采用线性组合的方式抵消白盒sm4的混淆手段。在最少60条随机明文的参与下,仅需8 min左右即可完整地提取出第一轮子密钥。该方法相比于已有的分析方法,具备部署方便、适用于实际应用环境、分析效率高的特点。

关键词：白盒实现 sm4 侧信道分析差分计算分析

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sm4密码算法S盒的量子电路优化

密码学报（中英文） 2024年第2期11卷 455-465页

作者：李强罗庆斌吕轶郑圆梦沈济南湖北民族大学智能科学与工程学院恩施445000 电子科技大学信息与软件工程学院成都611731

S盒是sm4密码算法中的重要非线性组件.首先基于复合域理论,将S盒代数表达式中有限域GF(2^(8))中的运算同构到复合域GF((2^(4))2)中的运算,然后使用NCT门库逐步构建并优化各个运算的量子电路,最后综合出完整的S盒量子电路.为降低Toffoli... 详细信息

S盒是sm4密码算法中的重要非线性组件.首先基于复合域理论,将S盒代数表达式中有限域GF(2^(8))中的运算同构到复合域GF((2^(4))2)中的运算,然后使用NCT门库逐步构建并优化各个运算的量子电路,最后综合出完整的S盒量子电路.为降低Toffoli门的使用量,根据GF(24)中乘法计算的代数表达式,选取使用Toffoli门最少的量子电路.为了降低CNOT门的使用量,主要从三方面优化:一是使用最优的CNOT电路综合出4阶矩阵的量子电路;二是采用置换矩阵法以及优化子电路的方式综合出8阶矩阵的量子电路;三是通过先合并计算再综合的思路优化整个S盒中CNOT门的数量.该S盒量子电路使用Qiskit Aer量子模拟器实现,并验证了其正确性.经量子资源分析,该优化的S盒量子电路一共使用了21个量子比特、10个NOT门、152个CNOT门和34个Toffoli门,电路深度为***门数量、总量子逻辑门数量、电路深度等相比已有结果都有较大减少.

关键词：量子电路 sm4 S盒复合域优化

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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

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sm4算法的量子实现

密码学报 2021年第6期8卷 999-1018页

作者：林达向泽军张若琳张莎莎曾祥勇湖北大学数学与统计学学院应用数学湖北省重点实验室武汉430062

我国商密标准sm4算法已成为ISO/IEC国际标准,本文主要研究该算法的的量子实现.基于对表面码的特性以及量子纠错的综合考虑,本文将量子比特数、通用量子逻辑门数、量子电路深度以及量子电路的depth-times-width值等作为统计参数.首先,探... 详细信息

我国商密标准sm4算法已成为ISO/IEC国际标准,本文主要研究该算法的的量子实现.基于对表面码的特性以及量子纠错的综合考虑,本文将量子比特数、通用量子逻辑门数、量子电路深度以及量子电路的depth-times-width值等作为统计参数.首先,探讨并提出了sm4算法S盒的量子优化实现方案.同时,结合算法自身结构的性质以及本文提出的S盒量子实现的特点,设计了sm4算法量子实现的整体结构,该结构能有效减少量子比特开销.其次,针对量子比特数和depth-times-width值两种指标,系统地研究了并行实现的S盒数量对sm4算法具体量子实现电路性能的影响.最后,设计了结合Grover算法对sm4进行穷举攻击的量子电路,并评估了该攻击所需的量子资源.

关键词： sm4 量子电路 Grover算法

基于可分性改进分组密码sm4和FOX的积分区分器

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密码学报 2023年第6期10卷 1197-1208页

作者：毛永霞吴文玲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 中国科学院大学北京100049 河南师范大学数学与信息科学学院新乡453000

可分性是由Todo在EUROCRYPT 2015上首次提出来的,可以看作积分分析的推广,已经被应用于许多对称密码的分析.目前,结合可分性与数学工具,例如混合整数线性规划和布尔可满足性问题等的自动化方法是搜索积分区分器最流行的方法之一.此方法... 详细信息

可分性是由Todo在EUROCRYPT 2015上首次提出来的,可以看作积分分析的推广,已经被应用于许多对称密码的分析.目前,结合可分性与数学工具,例如混合整数线性规划和布尔可满足性问题等的自动化方法是搜索积分区分器最流行的方法之一.此方法根据可分性在密码基本部件上的传播规则建立约束模型,再选择合适的初始可分性搜索积分区分器.对一个分组密码来说,不同的建模方式和模型的精度会影响自动化搜索积分区分器的结果.本文针对分组密码的两种基本部件:分支异或压缩结构和非比特置换的线性变换,分别提出了两种基于比特可分性的建模策略.策略一根据分支异或压缩结构的特点,增加相关分支输入可分性之间的约束条件,使得初始可分性经过首轮分支异或压缩之后的输出可分性为0,进而提高其他分支可分性的传播优势.策略二对非比特置换的线性变换对应的矩阵进行处理,当矩阵中包含非独立可分性传播时,增加相应的约束条件限制非独立传播比特的可分性,从而提高模型的精度,减少冗余可分迹.为了验证两种建模策略的有效性,将新方法应用于分组密码sm4和FOX:(1)构造了sm4的13轮积分区分器,比之前最好的结果多一轮;(2)构造了FOX64和FOX128的3轮积分区分器,都优于目前已知的最好积分区分器.

关键词：积分分析可分性混合整数线性规划 sm4 FOX

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对两个sm4白盒方案的分析

密码学报 2018年第6期5卷 651-670页

作者：潘文伦秦体红贾音张立廷摩石实验室成都卫士通信息产业股份有限公司北京100070

传统密码算法在设计时并未考虑算法运行平台的安全风险. Chow等在2002年提出了白盒攻击模型,假定攻击者具有完全控制算法运行过程的能力,可以获取算法的运行状态、更改算法运行的中间值等.此模型更符合密码设备在失控环境下的应用情况,... 详细信息

传统密码算法在设计时并未考虑算法运行平台的安全风险. Chow等在2002年提出了白盒攻击模型,假定攻击者具有完全控制算法运行过程的能力,可以获取算法的运行状态、更改算法运行的中间值等.此模型更符合密码设备在失控环境下的应用情况,因为一个合法的用户也可能变为一个潜在的攻击者.在这种环境下,传统攻击模型中设计的密码算法将不再安全.如何保护密码算法在白盒环境下的安全性,在数字版权保护、移动终端安全等领域具有强烈的现实需求. Chow等使用混淆与查找表等方式设计了AES、DES白盒方案,肖雅莹等在2009年使用类似方法设计了sm4算法的白盒方案(肖-来方案),白鲲鹏等进一步通过复杂化内部解码编码过程以及引入更多随机数的方式设计了一个新的sm4白盒方案(白-武方案).本文分析了这两个sm4白盒方案.首先指出林婷婷等对肖-来方案分析的复杂度计算存在偏差(林-来分析).具体来讲,该分析中唯一确定了编码矩阵及仿射常数,而实质上根据该分析方法,编码矩阵与仿射常数存在61200·2^(32)种可能取值.进一步地,我们改进了林-来的分析方法,通过调整仿射常数的恢复顺序,大幅降低了计算复杂度.如恢复查找表外部编码的仿射常数时,我们通过搜索等价密钥再确定仿射常数的方式只需不超过210次查表运算就可确定该仿射常数,而林-来分析中获取该仿射常数的计算复杂度为2^(46).同时,我们提出了首个针对白-武方案的第三方分析,指出其密钥和外部编码的取值空间大小为61200·2^(128).我们的分析表明,肖-来、白-武方案的安全性主要依赖外部编码中仿射常数的安全性.两个方案的线性变换部分对安全性的影响有限,且复杂化内部编码解码过程并不能有效提高线性变换的安全性.另外,通过对仿射矩阵或仿射常数进行拆分来增大白盒多样性的策略只会增大白盒方案的实现难度,而对方案的安全性并无明显加强.这一系列发现将对白盒密码的分析与设计提供借鉴作用.

关键词：白盒密码 sm4 查找表仿射变换