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基于L-M-NFSR结构的16比特S盒设计方法

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计算机科学与探索 2023年第10期17卷 2511-2518页

作者：武小年舒瑞豆道饶张润莲韦永壮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

S盒是分组密码算法的重要部件,为密码算法提供非线性变换,S盒的安全强度在一定程度上决定着密码算法的安全强度。为构造具有优良密码学性质的16比特S盒,设计一种以Lai-Massey结构和非线性反馈移位寄存器(NFSR)组件相结合的L-M-NFSR新结... 详细信息

S盒是分组密码算法的重要部件,为密码算法提供非线性变换,S盒的安全强度在一定程度上决定着密码算法的安全强度。为构造具有优良密码学性质的16比特S盒,设计一种以Lai-Massey结构和非线性反馈移位寄存器(NFSR)组件相结合的L-M-NFSR新结构。该结构以与高级加密标准(AES)算法S盒仿射等价的8比特S盒作为新结构的轮函数,减少设计的复杂性并提高结构的可变性;左右分支各增加一个迭代少量拍数即可符合严格雪崩特性的NFSR组件用于提高结构的扩散性;通过3轮迭代和遍历生成16比特S盒。进一步地,基于该结构,以AES算法S盒仿射等价新生成的8比特S盒替换轮函数中的8比特S盒,可方便地生成大量新的16比特密码S盒。为提高对所构造16比特S盒性质的评估效率,采用图形处理器(GPU)进行并行计算,测试结果表明,所生成的16比特S盒具有较优的密码学性质,均满足双射性,代数次数为15,非线性度最优为31992,差分均匀度最低为18,信噪比最低为146.712,具有较好地抵御数学攻击和差分功耗分析的安全性。

关键词： S盒 Lai-Massey结构非线性反馈移位寄存器(NFSR) 差分均匀度

基于GPU的大状态密码S盒差分性质评估方法

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计算机应用 2024年

作者：张润莲张密武小年舒瑞广西密码学与信息安全重点实验室(桂林电子科技大学)

大状态的密码S盒能够为对称密码算法提供更好的混淆性，但对大状态S盒的性质评估开销巨大。为高效评估大状态密码S盒的差分性质，提出基于GPU并行计算的大状态密码S盒差分性质评估方法。该方法基于现有的差分均匀度计算方法，针对16比特... 详细信息

大状态的密码S盒能够为对称密码算法提供更好的混淆性，但对大状态S盒的性质评估开销巨大。为高效评估大状态密码S盒的差分性质，提出基于GPU并行计算的大状态密码S盒差分性质评估方法。该方法基于现有的差分均匀度计算方法，针对16比特S盒的差分均匀度和32比特S盒的差分性质，分别设计GPU并行方案，通过优化GPU并行粒度和负载均衡提高了核函数和GPU的执行效率，并降低了计算时间。测试结果表明，相较于现有的CPU方法和GPU并行方法，所提方法实现大状态S盒差分性质评估的计算时间大大降低，提高了对大状态S盒差分性质的评估效率，对16比特S盒差分均匀度的计算时间约0.3 min；对32比特S盒的单个输入差分的最大输出差分概率计算时间约5 min，对它的差分性质计算时间约2.6 h。

关键词：密码S盒差分密码分析差分均匀度最大输出差分概率 GPU并行计算

基于SAT的GRANULE算法不可能差分分析

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计算机应用 2023年

作者：武小年匡晶张润莲李灵琛广西密码学与信息安全重点实验室(桂林电子科技大学)

基于布尔可满足性问题(SAT)的自动化搜索方法可以直接刻画与、或、非、异或等逻辑运算,从而建立更加高效的搜索模型。为了更加高效地评估GRANULE算法抵抗不可能差分攻击的能力,首先,基于S盒差分分布表性质,优化了S盒差分性质刻画的SAT模... 详细信息

基于布尔可满足性问题(SAT)的自动化搜索方法可以直接刻画与、或、非、异或等逻辑运算,从而建立更加高效的搜索模型。为了更加高效地评估GRANULE算法抵抗不可能差分攻击的能力,首先,基于S盒差分分布表性质,优化了S盒差分性质刻画的SAT模型;然后,对GRANULE算法建立基于比特的不可能差分区分器的SAT模型,通过求解模型,得到了多条10轮GRANULE算法的不可能差分区分器;其次,针对不可能差分区分器,给出了改进的SAT自动化验证方法并验证;最后,将得到的区分器,往前和往后各扩展3轮,对GRANULE-64/80算法发起了16轮的不可能差分攻击,通过该攻击可以恢复80比特主密钥,其时间复杂度为251.8次16轮加密,数据复杂度为241.8个选择明文。与表现次优的对GRANULE算法不可能差分分析的方法相比,所得到的区分器轮数和密钥恢复攻击轮数都提高了3轮,且时间复杂度、数据复杂度分别降低了约1%、17.5%。

关键词： GRANULE算法布尔可满足性问题不可能差分区分器差分分布表自动化验证

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一种基于层次聚类的测试用例集约简方法

北京邮电大学学报 2023年第4期46卷 9-14页

作者：朱瑞文王雅文林欢李帅赟吴彦芳北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室北京100876 广西密码学与信息安全重点实验室桂林541004

为降低测试用例集约简过程中故障检测能力的损失,减少偶然正确性现象对测试可靠性的不利影响。提出了一种基于层次聚类的测试用例集约简方法,使用欧氏距离计算测试用例的相似性,得出相异矩阵作为聚类的输入;另外,基于变异测试能够提高... 详细信息

为降低测试用例集约简过程中故障检测能力的损失,减少偶然正确性现象对测试可靠性的不利影响。提出了一种基于层次聚类的测试用例集约简方法,使用欧氏距离计算测试用例的相似性,得出相异矩阵作为聚类的输入;另外,基于变异测试能够提高测试用例集故障检测能力的特性,给出偶然正确性概率的计算公式,在结果簇中使用基于变异测试的测试用例选择算法获取约简后的测试用例集。实验结果表明,所提方法比充分的和其他不充分的测试用例约简方法分别降低了9.8%和12%的故障检测能力的损失。

关键词：层次聚类测试用例集约简变异测试偶然正确性故障检测能力

基于SAT的GRANULE算法不可能差分分析

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计算机应用 2024年第3期44卷 797-804页

作者：武小年匡晶张润莲李灵琛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

基于布尔可满足性问题(SAT)的自动化搜索方法可以直接刻画与、或、非、异或等逻辑运算,从而建立更高效的搜索模型。为更高效地评估GRANULE算法抵抗不可能差分攻击的能力,首先,基于S盒差分分布表性质优化S盒差分性质刻画的SAT模型;其次,... 详细信息

基于布尔可满足性问题(SAT)的自动化搜索方法可以直接刻画与、或、非、异或等逻辑运算,从而建立更高效的搜索模型。为更高效地评估GRANULE算法抵抗不可能差分攻击的能力,首先,基于S盒差分分布表性质优化S盒差分性质刻画的SAT模型;其次,对GRANULE算法建立基于比特的不可能差分区分器的SAT模型,通过求解模型得到多条10轮GRANULE算法的不可能差分区分器;再次,针对不可能差分区分器,给出改进的SAT自动化验证方法并验证;最后,将得到的区分器往前和往后各扩展3轮,对GRANULE-64/80算法发起16轮的不可能差分攻击,通过该攻击可以恢复80比特主密钥,时间复杂度为251.8次16轮加密,数据复杂度为241.8个选择明文。与表现次优的对GRANULE算法不可能差分分析的方法相比,所得到的区分器轮数和密钥恢复攻击轮数都提高了3轮,且时间复杂度、数据复杂度都进一步下降。

关键词： GRANULE算法布尔可满足性问题不可能差分区分器差分分布表自动化验证

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MPECA:面向多平台的高效密码算法

计算机应用研究 2023年第8期40卷 2481-2486,2492页

作者：李珂悫冯景亚韦永壮赵琪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

目前基于AESNI指令集设计面向6G系统高速加密算法备受业界关注,如ROCCA算法。然而,如何在不支持AESNI指令集环境下设计高速实现的密码算法是目前的研究难点之一。基于AES轮函数特点,设计了一个面向多平台的高效加密算法——MPECA。该算... 详细信息

目前基于AESNI指令集设计面向6G系统高速加密算法备受业界关注,如ROCCA算法。然而,如何在不支持AESNI指令集环境下设计高速实现的密码算法是目前的研究难点之一。基于AES轮函数特点,设计了一个面向多平台的高效加密算法——MPECA。该算法轮函数采用四轮AES迭代操作,使其在不支持AESNI低端环境下仍可利用固定切片技术进行高效软件实现。特别地,MPECA比ROCCA在初始化和生成标签阶段少花销32个AES轮函数操作和128个XOR操作,使得其在支持AESNI指令的环境下实现更快捷。实验结果表明:与ROCCA相比,Intel平台上,在不支持AESNI环境下,MPECA加密速度提高了3.05倍,在支持AESNI环境下,MPECA加密速度提高了30.64%;在ARM平台上,MPECA加密速度提高了近2.37倍。此外,MPECA密码算法具有较高的安全强度,足以抵抗差分密码攻击、积分攻击及密钥恢复攻击等。

关键词：分组密码算法 AESNI指令固定切片差分密码攻击

基于Feistel-NFSR结构的16比特S盒设计方法

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密码学报 2023年第1期10卷 146-154页

作者：武小年豆道饶韦永壮张润莲李灵琛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540014

为构造具有强安全性的16比特密码S盒,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,任意选取4个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;设计2个NFSR组件提高结构的扩散效果;并通过遍... 详细信息

为构造具有强安全性的16比特密码S盒,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,任意选取4个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;设计2个NFSR组件提高结构的扩散效果;并通过遍历搜索16比特S盒.基于GPU技术实现对16比特S盒的非线性度、差分均匀度的并行计算,提高对所构造S盒的性质的评估效率.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差分能量攻击的能力.

关键词： S盒 Feistel结构 NFSR 仿射等价 GPU

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基于证书的抗连续泄露签名机制

计算机学报 2022年第11期45卷 2363-2376页

作者：周彦伟马岿乔子芮杨波顾纯祥陕西师范大学计算机科学学院西安710062 河南省网络密码技术重点实验室郑州450052 广西密码学与信息安全重点实验室广西桂林541004

为进一步提升密码原语的安全性,近年来抵抗泄露攻击的密码机制相继被研究者提出.基于证书的密码体制在解决传统公钥基础设施中证书复杂管理问题的同时,也避免了身份基密码机制的密钥托管不足,上述优势使得该体制在实际环境中具有广泛的... 详细信息

为进一步提升密码原语的安全性,近年来抵抗泄露攻击的密码机制相继被研究者提出.基于证书的密码体制在解决传统公钥基础设施中证书复杂管理问题的同时,也避免了身份基密码机制的密钥托管不足,上述优势使得该体制在实际环境中具有广泛的应用前景,然而由于缺乏对该体制泄露容忍性的研究,制约了该机制在安全协议设计方面的应用推广.针对上述不足,为满足基于证书签名机制的抗泄露性需求,本文提出了基于证书的抗泄露签名机制的具体构造,并基于离散对数的困难性,在随机谕言机模型下使用分叉引理对本文方案的不可伪造性进行了形式化证明;由于未使用双线性映射运算,确保本文构造具有较高的计算效率.与现有相关机制的比较可知,在保持安全性可证明的基础上,本文构造为签名机制提供抵抗泄露攻击能力的同时,提升了相应的计算效率.此外,在上述基础方案之上,本文设计了基于证书的抗泄露聚合签名机制的具体构造,实现了同时完成多个签名的合法性验证目标,进一步提升了签名的合法性验证效率,上述优势确保本文构造能在实际应用中广泛使用,例如无线传感器网络等.

关键词：泄露容忍性基于证书的密码学基于证书的签名分叉引理

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自动化门限掩码新方法

计算机应用研究 2022年第5期39卷 1546-1550,1556页

作者：杨蕊涵韦永壮李灵琛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

为了有效抵御差分功耗攻击,密码芯片通常在算法级使用掩码防护。现有的门限掩码方法主要依赖于手工对密码核心部件的分解、推算及随机比特数的配置,其明显的缺点是计算及验证过程复杂、烦琐,而且掩码方案实现效率往往较低。如何在不注... 详细信息

为了有效抵御差分功耗攻击,密码芯片通常在算法级使用掩码防护。现有的门限掩码方法主要依赖于手工对密码核心部件的分解、推算及随机比特数的配置,其明显的缺点是计算及验证过程复杂、烦琐,而且掩码方案实现效率往往较低。如何在不注入额外随机数的情况下,自动化地生成掩码方案是目前业界讨论的热点问题。基于依赖函数的最小共享数目提出一种自动化门限掩码新方法。该方法仅需在拆分变元时用到随机数,而其他掩码环节不需引入额外随机数。实验结果表明:该方法应用于轻量级密码LBlock算法及16类最优4 bit密码S盒上的一阶门限掩码防护时,其T-test的峰值较于不加防护情形下的峰值缩小10倍以上;在实际平台的差分功耗攻击下,使用100万条能量迹也无法恢复出LBlock密码算法的任何密钥比特。这证实该掩码防护是新型有效的。此外,针对SKINNY、Midori、PRESENT和PRINCE等轻量级密码算法使用的密码S盒还分别给出其一阶自动化门限掩码新方案。

关键词：侧信道分析差分功耗攻击门限掩码 LBlock 自动化掩码