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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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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

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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

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白盒SM4的分析与改进

电子与信息学报 2022年第8期44卷 2903-2913页

作者：张跃宇徐东陈杰西安电子科技大学网络与信息安全学院西安710071 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 西安电子科技大学ISN国家重点实验室西安710071

差分计算分析(DCA)是一种应用于白盒实现安全性分析的侧信道分析手段,其高效性在白盒高级数据加密标准(AES)的分析工作中已得到验证。该文针对白盒SM4方案提出一种类差分计算分析的自动化分析方法,该分析以白盒SM4方案中的查找表结果为... 详细信息

差分计算分析(DCA)是一种应用于白盒实现安全性分析的侧信道分析手段,其高效性在白盒高级数据加密标准(AES)的分析工作中已得到验证。该文针对白盒SM4方案提出一种类差分计算分析的自动化分析方法,该分析以白盒SM4方案中的查找表结果为分析对象,采用统计分析的方法提取密钥,称为中间值平均差分分析(IVMDA)。相比于已有的白盒SM4的分析方法,中间值平均差分分析所需要的条件更少,分析效率更高。在对白盒SM4方案进行成功分析后,该文提出一种软件对策以提高白盒SM4方案的安全性,该对策利用非线性部件对白盒方案中的中间状态进行混淆,消除中间状态与密钥之间的相关性。实验证明该对策可以有效抵抗中间值平均差分分析。

关键词：白盒实现 SM4算法差分计算分析软件对策

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基于深度学习的差分神经区分器求解方法

计算机工程与设计 2023年第6期44卷 1629-1634页

作者：蒋若怡韦永壮王慧娇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

针对差分神经区分器中准确率随着密码算法轮数增加而快速降低的问题,提出一种差分神经区分器求解方法。将深度学习技术与多差分密码分析相结合,通过采用神经网络拟合密码算法的多输入及多输出差分,设计多差分神经区分器通用模型。该模... 详细信息

针对差分神经区分器中准确率随着密码算法轮数增加而快速降低的问题,提出一种差分神经区分器求解方法。将深度学习技术与多差分密码分析相结合,通过采用神经网络拟合密码算法的多输入及多输出差分,设计多差分神经区分器通用模型。该模型中所使用的输入参数被设置为多个明文差分、相应的密文及密文差分。将其应用于分析Speck32/64及Simon32/64密码算法,结果表明,Speck32/64的5至7轮区分器准确率均有显著提升;Simon32/64的密码区分器轮数从9轮提升至10轮,说明该方法的有效性。

关键词：分组密码差分密码分析神经区分器深度学习多差分准确率构建参数

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SM4算法门限掩码方案设计与实现

计算机应用研究 2022年第2期39卷 572-576页

作者：武小年李金林潘晟李俊榜张润莲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

侧信道分析已严重威胁到密码算法应用安全,为提高SM4算法抵御侧信道分析的能力,提出一种门限掩码方案。首先,完成对SM4算法S盒的复合域分解;其次,基于二共享设计门限掩码方案,使用随机数将S盒输入进行二共享拆分,通过复合域运算和S盒门... 详细信息

侧信道分析已严重威胁到密码算法应用安全,为提高SM4算法抵御侧信道分析的能力,提出一种门限掩码方案。首先,完成对SM4算法S盒的复合域分解;其次,基于二共享设计门限掩码方案,使用随机数将S盒输入进行二共享拆分,通过复合域运算和S盒门限掩码进行电路重构,并基于S盒复用降低硬件开销;最后进行线性层操作后将两个输出结果通过异或完成去掩码操作。对SM4算法门限掩码方案的FPGA实现仿真结果和安全性测试结果表明,本掩码方案能够有效抵抗CPA攻击,实现面积相对较低。

关键词： SM4 门限掩码复合域 S盒现场可编程门阵列

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ACE密码算法的积分分析

电子与信息学报 2021年第4期43卷 908-914页

作者：叶涛韦永壮李灵琛桂林电子科技大学广西无线宽带通信与信号处理重点实验室桂林541004 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

ACE是国际轻量级密码算法标准化征集竞赛第2轮候选算法之一。该算法具有结构简洁,软硬件实现快、适用于资源受限环境等特点,其安全性备受业界广泛关注。该文引入字传播轨迹新概念,构建了一个传播轨迹的描述模型,并给出一个可以自动化评... 详细信息

ACE是国际轻量级密码算法标准化征集竞赛第2轮候选算法之一。该算法具有结构简洁,软硬件实现快、适用于资源受限环境等特点,其安全性备受业界广泛关注。该文引入字传播轨迹新概念,构建了一个传播轨迹的描述模型,并给出一个可以自动化评估分组密码算法抵抗积分攻击能力的方法。基于ACE算法结构特点,将该自动化搜索方法应用于评估ACE算法的安全性。结果表明:ACE置换存在12步的积分区分器,需要的数据复杂度为2^(256),时间复杂度为2^(256)次12步的ACE置换运算,存储复杂度为8 Byte。相比于ACE算法设计者给出的积分区分器,该新区分器的步数提高了4步。

关键词：积分区分器混合整数线性规划自动化分析方法 ACE置换

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轻量级分组密码算法DoT的模板攻击

计算机工程 2021年第3期47卷 155-159,165页

作者：孙家异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

模板攻击是一种重要的侧信道分析方法,其在实际密码算法破译中具有较强的区分能力。轻量级分组密码算法DoT在硬件和软件实现中都表现出优秀的性能,尽管目前针对DoT算法的传统数学攻击已经取得了一定效果,但是该算法在具体实现中是否足... 详细信息

模板攻击是一种重要的侧信道分析方法,其在实际密码算法破译中具有较强的区分能力。轻量级分组密码算法DoT在硬件和软件实现中都表现出优秀的性能,尽管目前针对DoT算法的传统数学攻击已经取得了一定效果,但是该算法在具体实现中是否足以抵御侧信道攻击仍有待研究。基于DoT算法结构及其S盒特点,提出一种针对DoT算法的模板攻击方法。基于汉明重量模型来刻画加密算法运行时的能耗特征,将S盒输出值的具体分布作为中间状态值构造区分器,从而进行密钥恢复。测试结果表明,该模板攻击仅需6组明文就可恢复出8 bit密钥信息,DoT密码算法在该模板攻击下具有脆弱性。

关键词： DoT密码算法模板攻击汉明重量掩码侧信道攻击

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对一种白盒SM4方案的差分计算分析

软件学报 2023年第8期34卷 3891-3904页

作者：原梓清陈杰综合业务网理论及关键技术国家重点实验室(西安电子科技大学) 陕西西安710071 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

传统密码算法的安全性建立在黑盒攻击模型下.在这种攻击模型下,攻击者只能获取密码算法的输入输出,而无法得知密码算法运行时的内部细节.近年来白盒攻击模型的概念被提出.在白盒攻击模型下,攻击者既可以获取密码算法的输入输出,也可以... 详细信息

传统密码算法的安全性建立在黑盒攻击模型下.在这种攻击模型下,攻击者只能获取密码算法的输入输出,而无法得知密码算法运行时的内部细节.近年来白盒攻击模型的概念被提出.在白盒攻击模型下,攻击者既可以获取密码算法的输入输出,也可以直接观测或更改密码算法运行时的内部数据.为保证已有密码算法在白盒攻击环境下的安全性,在不改变其功能的基础上通过白盒密码技术对其进行重新设计被称为已有密码算法的白盒实现.研究白盒实现方案的设计与分析对于解决数字版权管理问题具有重要意义.近年来,出现了一类针对白盒实现方案的旁信道分析方法.这类分析手段只需要知道很少白盒实现方案的内部细节,却可以提取到密钥,因此是一类对现有白盒实现方案具有实际威胁的分析手段.对现有白盒实现方案进行此类分析对于确保方案安全性具有重要现实意义.此类分析方法中的典型代表是基于差分功耗分析原理的差分计算分析.基于差分计算分析,对白-武白盒SM4方案进行了安全性分析.基于对GF(2)上n阶均匀随机可逆矩阵统计特征的研究结果,提出了一种改进型差分计算分析(IDCA),可以在分析成功率几乎不变的前提下显著提升分析效率.结果表明,白-武白盒SM4方案在面对差分计算分析时不能保证安全性,必须对其进行进一步改进使之满足实际应用场景下的安全性需求.

关键词：白盒密码白盒实现 SM4算法旁信道分析差分计算分析