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约减轮数分组密码LEA的差分分析

电子与信息学报 2023年第10期45卷 3737-3744页

作者：李艳俊李寅霜刘健王克中国电子科技集团公司第十五研究所信息产业信息安全测评中心北京100083 北京电子科技学院北京100070

LEA算法是面向软件的轻量级加密算法,在2019年成为ISO/IEC国际标准轻量级加密算法,具有快速加密、占用运算资源少等优点。该文基于多条输入输出差分相同的路径计算了差分概率,首次对LEA-128进行了13轮和14轮的密钥恢复攻击;采用提前抛... 详细信息

LEA算法是面向软件的轻量级加密算法,在2019年成为ISO/IEC国际标准轻量级加密算法,具有快速加密、占用运算资源少等优点。该文基于多条输入输出差分相同的路径计算了差分概率,首次对LEA-128进行了13轮和14轮的密钥恢复攻击;采用提前抛弃技术,分别在12轮和13轮差分特征后面添加了1轮,恢复了96 bit密钥;其中13轮的密钥恢复攻击数据复杂度为2^(98)个明文,时间复杂度为2^(86.7)次13轮LEA-128解密;14轮的密钥恢复攻击数据复杂度为2118个明文,时间复杂度为2^(110.6)次14轮LEA-128解密。

关键词：轻量级分组密码 ARX 差分分析密钥恢复攻击

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类AES算法S盒的优化实现

密码学报 2023年第3期10卷 531-538页

作者：李艳俊张伟国葛耀东黄雅婷霍珊珊中国电子科技集团公司第十五研究所信息产业信息安全测评中心北京100083 北京电子科技学院北京100070

本文基于多项式基构造有限域上运算来优化类AES算法的S盒.通过搜索域间的同构映射矩阵,将GF(28)上有限域求逆运算转换到复合域GF((2^(4))^(2))中.利用SAT求解器搜索简化有限域GF(2^(4))上的乘法逆运算,给出2种不同的多项式基优化方案.方... 详细信息

本文基于多项式基构造有限域上运算来优化类AES算法的S盒.通过搜索域间的同构映射矩阵,将GF(28)上有限域求逆运算转换到复合域GF((2^(4))^(2))中.利用SAT求解器搜索简化有限域GF(2^(4))上的乘法逆运算,给出2种不同的多项式基优化方案.方案1使用传统的3类门电路来构建复合域.在方案1的基础上,方案2使用了比特级的优化方法,引入MUX门电路,电路面积和门电路数量比方案1更少.使用SMIC130 nm和SMIC65 nm工艺对电路面积进行评估.在现有使用同种类门电路的方案中,本文的结果较优.

关键词： AES算法 S盒硬件实现多项式基

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全轮Shadow算法的差分和线性特征分析

计算机应用 2024年

作者：项勇李艳俊黄丁韫陈愚谢惠琴中国电子科技集团公司第十五研究所信息产业信息安全测评中心北京电子科技学院密码科学与技术系

随着射频识别技术（RFID）、无线传感器的应用越来越广泛，为了保护这类资源受限设备存储和传输的数据，轻量级密码应运而生。轻量级密码密钥长度和轮数相对少，因此在正式投入使用前，有必要对其进行精确的安全性分析。针对轻量级密码... 详细信息

随着射频识别技术（RFID）、无线传感器的应用越来越广泛，为了保护这类资源受限设备存储和传输的数据，轻量级密码应运而生。轻量级密码密钥长度和轮数相对少，因此在正式投入使用前，有必要对其进行精确的安全性分析。针对轻量级密码安全需求，分析了全轮Shadow算法的差分和线性特征。首先提出了一种二次差分的概念，更清楚地刻画了差分特征，证明了该算法存在概率为1的全轮差分特征，并且通过实验验证了差分特征的正确性。其次，给出了全轮线性特征，证明了给定一组Shadow-32(Shadow-64)的明密文，可以获取8(16)比特的密钥信息，并且通过实验验证其正确性。再次，基于明文、密文和轮密钥之间的线性等式关系估计了2次布尔函数方程个数和自变量个数，得到求解初始密钥的计算复杂度为263.4。最后，总结了Shadow算法的结构特点，提出了下一步研究重点。全轮Shadow算法的差分和线性特征的分析工作对其他轻量级密码的差分分析和线性分析具有一定的借鉴作用。

关键词： Shadow算法轻量级分组密码差分特征线性特征密钥恢复

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改进的KLEIN算法及其量子分析

计算机应用 2023年

作者：李艳俊葛耀东王琦张伟国刘琛北京电子科技学院密码科学与技术系中国电子科技集团公司第十五研究所信息产业信息安全测评中心

KLEIN自提出之后经历了截断差分分析、积分分析等攻击，加密结构具有实际安全性，但是由于密钥扩展算法的脆弱性导致了全轮密钥恢复攻击。首先，修改密钥扩展算法，提出一种改进后的方案N-KLEIN；然后，采用in-place的方法对S盒进行高... 详细信息

KLEIN自提出之后经历了截断差分分析、积分分析等攻击，加密结构具有实际安全性，但是由于密钥扩展算法的脆弱性导致了全轮密钥恢复攻击。首先，修改密钥扩展算法，提出一种改进后的方案N-KLEIN；然后，采用in-place的方法对S盒进行高效量子电路实现，减少了电路的宽度和深度，提高了量子电路的实现效率；使用LUP分解技术实现了混淆操作的量子化；对新的密钥扩展算法进行量子电路设计，提出全轮N-KLEIN的高效量子电路图和资源评估，并与PRESENT、HIGHT等现有的轻量级分组密码的量子实现占用资源进行了比较，N-KLEIN算法量子实现的成本明显较低；最后，基于Grover算法对密钥搜索攻击所需要的代价进行了深入研究，给出Clifford+T模型下N-KLEIN-{64, 80, 96}使用Grover算法搜索密钥需要的代价，进而评估了N-KLEIN的量子安全性。

关键词：轻量级分组密码 KLEIN 量子电路 S盒 Grover算法

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量子计算模型下PFP算法的安全性分析

计算机应用 2023年

作者：李艳俊景小宇谢惠琴项勇中国电子科技集团公司第十五研究所信息产业信息安全测评中心河南省网络密码技术重点实验室北京电子科技学院

随着量子技术的快速发展以及量子计算效率的不断提高，尤其是Shor算法和Grover算法的出现，使传统公钥密码和对称密码的安全性都受到很大威胁。本文研究了基于Feistel结构设计的分组密码PFP算法，首先将轮函数的线性变换P融入Feistel结... 详细信息

随着量子技术的快速发展以及量子计算效率的不断提高，尤其是Shor算法和Grover算法的出现，使传统公钥密码和对称密码的安全性都受到很大威胁。本文研究了基于Feistel结构设计的分组密码PFP算法，首先将轮函数的线性变换P融入Feistel结构的周期函数构造中，推导得到了PFP算法的4个5轮周期函数，比选择明文攻击模型下典型Feistel结构的周期函数多2轮，通过实验验证了其正确性；进一步，以其中一个5轮周期函数作为区分器，结合量子Grover算法和Simon算法，通过分析PFP密钥编排算法的特点对9/10轮PFP进行了安全性评估，得到正确密钥比特需要的时间复杂度为226/238.5，需要的量子资源为193/212个量子比特，可以恢复58/77比特密钥，优于已有不可能差分分析结果。

关键词： Simon算法 Grover算法 PFP算法周期函数量子密钥恢复

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基于MILP的MGFN全轮差分分析及改进

计算机应用研究 2024年第3期41卷 911-915,922页

作者：李艳俊毕鑫杰项勇林怡平中国电子科技集团公司第十五研究所信息产业信息安全测评中心北京100083 北京电子科技学院密码科学与技术系北京100070 北京电子科技学院网络空间安全系北京100070

研究了轻量级分组密码MGFN算法的抗差分分析能力并提出了改进方法。首先,基于MILP工具对MGFN算法建模,搜索迭代差分并构造了全轮差分路径,整体差分概率为2-40,远远大于随机置换的差分概率。然后,给出S盒的差分分支数概念并将其作为衡量... 详细信息

研究了轻量级分组密码MGFN算法的抗差分分析能力并提出了改进方法。首先,基于MILP工具对MGFN算法建模,搜索迭代差分并构造了全轮差分路径,整体差分概率为2-40,远远大于随机置换的差分概率。然后,给出S盒的差分分支数概念并将其作为衡量差分安全性的指标,以新S盒替代原MGFN算法的S盒,并修改了密钥扩展算法,提出新的MGFN-P算法。最后,通过差分路径搜索和分析比较,说明了MGFN-P算法比原MGFN算法更安全、高效。

关键词： MGFN 轻量级分组密码 MILP 差分分析分支数

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动态密码组件对合MDS矩阵的设计与实现

微电子学与计算机 2024年

作者：李艳俊王琦项勇谢惠琴中国电子科技集团公司第十五研究所信息产业信息安全测评中心北京电子科技学院密码科学与技术系

随着密码的应用领域不断扩大，应用程度不断加深，应用认可度不断提升，密码算法的需求量越来越大，对不同领域使用的类似算法进行有效分割成为必须。该文对有限域■上4阶矩阵进行了研究，重点对■的对合最大距离可分（MDS）矩阵进行了... 详细信息

随着密码的应用领域不断扩大，应用程度不断加深，应用认可度不断提升，密码算法的需求量越来越大，对不同领域使用的类似算法进行有效分割成为必须。该文对有限域■上4阶矩阵进行了研究，重点对■的对合最大距离可分（MDS）矩阵进行了详细分析和设计。首先给出了有限域■上对合矩阵■满足的形式和限制条件，进一步，通过MDS矩阵判定条件给出了4阶对合MDS矩阵的性质以及参数取值范围，最后计算得出对合MDS矩阵个数不小于■。该文的研究成果为基于软件实现的分组密码设计提供了大量安全高效的动态扩散组件，使其能够保证基于SP结构设计的分组密码在加解密相同的情形下不增加计算量，可作为不同领域密码算法分割的参数使用。

关键词：密码学分组密码对合MDS 分支数分割参数

轻量级密码TWINE-128的量子密码分析

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密码学报 2022年第4期9卷 633-643页

作者：李艳俊易子晗汪振刘健中国电子科技集团公司第十五研究所信息产业信息安全测评中心北京100083 北京电子科技学院北京100070 桂林电子科技大学广西密码学与信息安全重点实验室桂林541004

在分组密码中,Type-II型GFS(generalized Feistel scheme,广义Feistel结构)是GFS的一种比较流行的版本,它的明文被划分为k(k>2)个子块,每2个子块进行一次Feistel变换,然后对k个子块执行拉线操作.本文对基于该结构的TWINE-128进行量子密... 详细信息

在分组密码中,Type-II型GFS(generalized Feistel scheme,广义Feistel结构)是GFS的一种比较流行的版本,它的明文被划分为k(k>2)个子块,每2个子块进行一次Feistel变换,然后对k个子块执行拉线操作.本文对基于该结构的TWINE-128进行量子密码分析,根据算法结构特点构造周期函数,在此基础上找到TWINE-128的7轮量子区分器,进一步地,对TWINE-128实施14轮量子密钥恢复攻击,相关时间复杂度为2^(54),密钥恢复所需量子比特数为243,优于量子穷搜攻击的结果.我们的研究有助于明确TWINE-128在量子模型下的资源占用和安全情况,不仅对类似结构密码算法提供前瞻性安全评估,还希望为后量子时代的密码算法设计提供新思路.

关键词：广义Feistel结构量子密码分析量子区分器

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基于同态的多对多电子投票方案设计

网络安全与数据治理 2023年第10期42卷 49-54页

作者：霍珊珊李艳俊刘健罗昕锐中国电子科技集团公司第十五研究所信息产业信息安全测评中心北京100083 北京电子科技学院北京100070

电子投票方案通常基于安全多方计算、盲签名、同态加密和秘密共享等密码学技术设计,并通过网络实现。与传统的投票方案相比,各个角色的隐私得到了更好的保护,投票和计票过程更安全高效。基于Paillier密码的同态性设计了多对多的电子投... 详细信息

电子投票方案通常基于安全多方计算、盲签名、同态加密和秘密共享等密码学技术设计,并通过网络实现。与传统的投票方案相比,各个角色的隐私得到了更好的保护,投票和计票过程更安全高效。基于Paillier密码的同态性设计了多对多的电子投票方案,采用预计算三元组的方式在不解密选票的情形下对赞同、弃权、反对选项进行合规性判断;然后通过密码同态性合成总投票、计票中心解密后便能够从m个候选人中选出t个胜出者;最后证明了方案的正确性和安全性,并分析了方案实现需要的通信代价和投票人、可信中心以及计票员的计算量。方案整体实现效率高,适用于大型电子投票的场合。

关键词：电子投票 Paillier密码同态加密安全性