轻量级分组密码算法的故障攻击技术研究综述

对轻量级分组密码算法的故障攻击技术进行了概述和分类,并在此基础上论述了故障攻击技术的研究现状。一方面,论述了针对不同密码算法展开差分故障攻击分析的特点并进行了比较;另一方面,论述了LED,MIBS和Piccolo等轻量级分组密码算法的代数故障攻击分析方法,并进行了比较。最后,对故障攻击分析方法进行了总结与展望。     

轻量级分组密码SIMON代数故障攻击

针对SIMON现有故障攻击中存在的故障深度小、手工推导复杂等问题,给出一种代数故障攻击（AFA）方法。首先给出SIMON核心运算‘&’代数表示方法并构建全轮正确加密代数方程组;其次注入故障并将故障信息表示为代数方程,提供故障已知和故障未知两种模型,给出两种模型故障表示方法;最后利用CryptoMinisat-2.9.6解析器求解方程组恢复密钥。实验结果表明：利用单比特故障对SIMON32/64进行攻击,故障位置选取第26轮,故障已知和未知模型仅需5个和6个故障即可恢复全轮密钥;利用n比特宽度故障对SIMON128/128进行攻击,故障位置选取第65轮,两种模型均只需2个故障即可恢复全轮密钥。此外,对比故障已知和未知模型发现,随故障数递增密钥求解时间的决定因素将由故障信息量变为方程组计算量。     

轻量级分组密码算法ESF的不可能差分分析

新的轻量级密码算法ESF用于物联网环境下保护RFID标签以及智能卡等设备的通信安全.ESF算法是一种具有广义Feistel结构的32轮迭代型分组密码,轮函数是SPN结构.分组长度为64比特,密钥长度为80比特.通过不可能差分分析方法来寻找ESF算法的不可能差分特征,给出ESF算法8轮不可能差分区分器来攻击11轮ESF算法.实验结果表明,ESF对不可能差分密码分析有足够的安全免疫力.     

一种轻量级TWINE密码硬件优化实现研究

随着物联网的广泛应用,如何有效实现轻量级密码算法成为近年的研究热点。对2011年提出的TWINE加密算法进行了硬件优化实现,相同的轮运算只实现一次,采用重复调用方式完成。TWINE算法总共有36轮运算,其中前35轮运算结构相同,可以重复调用实现,而第36轮相比前35轮在结构上少了块混淆,因此原始算法最多只能进行35轮重复调用。直接进行36轮循环调用运算,同时在36轮循环运算完成后构造一个块混淆逆运算,运算一次块混淆逆运算即可使输出密文正确。这样使TWINE最后的第36轮不必重新实现,而是直接复用前面可重复轮函数模块,只需增加一个比原始算法最后一轮运算相对简单的块混淆逆运算。下载到FPGA上的实验结果表明,优化后的TWINE密码算法在面积上减少了2204个Slices,系统速率提高了5倍。     

轻量级分组密码TWINE的差分故障攻击

为了对轻量级分组密码TWINE的安全性进行研究,分析了轻量级分组密码TWINE的抗差分故障攻击特性,给出了TWINE一种差分故障分析方法,采用面向半字节的随机故障模型对TWINE算法进行攻击.实验结果表明,在35轮注入4次故障后可将密钥空间降低至约220,平均注入13.15次故障后可完全恢复80 bit密钥,最好的情况为注入12次故障完全恢复种子密钥.因此得到结论:TWINE算法易受差分故障攻击,需在使用前对设备加以保护.     

轻量级分组密码MIBS-80算法的Biclique分析

提出了针对轻量级分组密码算法 MIBS-80 的 Biclique 分析.利用两条独立的相关密钥差分路径,构造了4轮维度为4 的 Biclique 结构,在此基础上对密钥空间进行了划分,结合预计算技术,对每一个密钥子空间进行筛选以降低中间相遇攻击所需的计算复杂度,实施了对12 轮 MIBS-80 的密钥恢复攻击.攻击的数据复杂度为2⁵²个选择明文,计算复杂度约为2^77.13次12 轮 MIBS-80 加密,存储复杂度约为2^8.17,成功实施攻击的概率为1.与已有攻击方法相比,在存储复杂度及成功率方面具有优势.     

轻量级分组密码Piccolo的积分攻击

针对Piccolo-80算法提出了一种5轮积分区分器,并将其向解密方向扩展了2轮,得到了7轮区分器。使用5轮区分器对无白化密钥的Piccolo-80进行了7轮和8轮的攻击,使用7轮区分器进行了9轮的攻击。其中,最好的攻击结果是使用7轮区分器,对有白化密钥的Piccolo-80进行9轮攻击,可恢复32比特相关轮密钥,需要的数据复杂度为2的48次方个明文,时间复杂度为2的52.237方次9轮加密。     

缩减轮的超轻量级分组密码算法PFP的不可能差分分析

基于Feistel结构的轻量级分组密码算法PFP适用于物联网终端设备等资源极端受限环境。目前对PFP算法不可能差分分析的最好结果是利用7轮不可能差分区分器攻击9轮PFP算法,这样可恢复36 b的种子密钥。为了更准确地评估PFP算法抵抗不可能差分分析的能力,对PFP算法结构进行研究。首先,通过分析轮函数中S盒的差分分布特性,找到了概率为1的两组差分;其次,结合置换层特点,构造出一组包含16条不可能差分的7轮不可能差分区分器;最后,基于构建的7轮不可能差分区分器,对9轮PFP算法进行不可能差分分析以恢复40 b种子密钥,并提出对10轮PFP算法的不可能差分分析方法来恢复52 b种子密钥。结果表明,所提方法在区分器数量、分析轮数、恢复密钥比特数等方面均有较大改善。     

PRINCE轻量级密码算法的差分故障分析

PRINCE密码算法是于ASIA CRYPT 2012提出的轻量级的加密算法,用于在物联网环境下保护RFID标签以及智能卡等设备的通信安全。提出并讨论了一种针对PRINCE算法的差分故障分析方法。该方法采用半字节故障模型,对PRINCEcore最后一轮进行了差分故障分析。实验结果表明,在PRINCEcore最后一轮导入半字节随机故障,4次故障注入可实现对PRINCE算法PRINCEcore部分的64位轮密钥的恢复。因此,未加防护措施的PRINCE加密系统将难以抵御差分故障分析手段。     

随机分组密码算法框架及实现

针对现有的对分组密码的攻击方法对于未知结构的密码算法是无效的特点,提出了一个根据已有分组密码算法生成随机密码算法的框架,其密码算法是由随机控制密钥生成的,因而算法是随机的,能抵抗针对固定结构的密码算法的线性密码分析和差分密码分析。同时还提出了一个具体的AES的随机化算法,该算法具有可证明的安全性,其安全性高于原始的AES,性能与原始的AES算法接近。     

基于双伪随机变换和Feistel结构的轻量级分组密码VHF

针对资源受限的移动终端对轻量级密码的需求,提出了一种 基于双伪随机变换和Feistel结构的新的轻量级分组密码算法VHF。类似于许多其他轻量级分组密码,VHF的分组长度为128bit,密钥长度为80bit和128bit。VHF的安全评估结果表明,其可以对已知的攻击实现足够的安全性,如差分分析、线性分析和不可能差分分析等。在安全的基础上测试软件效率及硬件实现,与现有的轻量级分组密码进行的对比表明,VHF的软硬件效率都高于同为面向8位平台的国际标准CLEFIA算法。     

轻量级分组密码RECTANGLE基于FELICS的实现与优化

随着物联网的普及以及RFID、传感器的广泛应用,轻量级密码算法受到人们越来越多的关注。对于一个轻量级密码算法,除了安全性之外,软件和硬件实现性能也非常重要。卢森堡大学的科研人员于2015年开发了一个开源框架——FELICS（FairEvaluation of Lightweight Cryptographic Systems）,旨在公平地测评轻量级密码算法在嵌入式设备上的软件性能。FELICS需要在两种应用场景下（一为通信协议,另一为认证协议）,测试一个密码算法在三种嵌入式平台（8位AVR、16位MSP以及32位ARM）下运行所需的Flash、RAM和执行时间,再对结果取加权平均值,并据此对参赛的轻量级分组密码的软件性能进行综合排名。到目前为止,FELICS已经包含了18个轻量级分组密码。本文首先分析FELICS中已提交的分组密码的C语言及汇编语言代码,总结常用的优化方法。然后在三种嵌入式平台上实现了轻量级分组密码RECTANGLE。进一步地,我们对算法轮密钥加、列变换、行移位这三种操作进行了优化。优化后的结果如下：在ARM平台,优化后轮函数所需的Flash减少42.6%、同时时间减少36.8%;在AVR平台场景1下,优化后RECTANGLE-128的RAM减少了12.0%、同时时间减少了5.0%,RECTANGLE-80的RAM减少了10.9%、同时时间减少了2.8%。FELICS的最终结果显示,在18个轻量级分组密码算法中,RECTANGLE在两种应用场景下分别排名第4和第5位,这表明RECTANGLE在嵌入式平台上具有优秀的软件性能。     

RAIN:一种面向软硬件和门限实现的轻量分组密码算法

RAIN算法的设计基于国际上分组密码设计广泛采用的SPN(substitution permutation network)结构,通过迭代混淆层S盒和扩散层字混合提供强雪崩效应,不仅保证强的安全性,还兼顾了软硬件实现.算法支持64b分组和128b分组,2种不同的分组长度采用相同的轮函数结构实现,方案简洁优美.混淆层采用4b的S盒实现,在S盒实现的时候不仅考虑了其安全性,还考虑S盒的软硬件实现,与扩散层的混合运算结合提供高的实现性能.从差分分析、不可能差分分析、积分攻击和不变子空间分析4个方面对算法进行了自评估,在分析的过程中使用了一些最新的分析方法以及基于MILP(mixed integer linear programming)的自动化搜索等,结果显示：算法可以抵抗现有的分析方法,并且具有较大的安全冗余.RAIN算法软硬件实现效率高,在PC机、ARM平台和硬件FPGA(field programmable gate array)平台下都具有出色的实现性能.算法S盒可以转换为基本逻辑运算,抗侧信道攻击实现代价低.     

面向ATtiny微处理器的KLEIN分组密码算法实现

随着无线传感器和射频芯片等物联网应用的广泛兴起,相应的信息安全问题也得到更多的重视.由于具有低功耗的特性,轻量级分组密码算法在资源受限环境下的应用前景得到广泛关注.在RFIDSec 2011会议上,Gong等人提出一种新的适用于物联网资源环境下软件实现的轻量级分组密码算法KLEIN.本文从ATtiny微处理器的特点出发,基于AVR ASM语言给出了KLEIN分组加密算法的优化实现.在实现过程中,采用查找表和逻辑运算相结合的方法,降低了算法在MixNibbles步骤上的计算复杂度,在算法实现的处理速度和存储开销数据上取得较好的平衡.实际试验数据表明,优化后的KLEIN算法实现在ATtiny微处理器平台下与原有算法实现相比具有较大优势.     

一种采用交织的新型对称分组密码算法

安全密码系统是信息在发送方和接受方之间可靠传送的重要保证，本文提出了一种采用256bit密钥对256bit明文进行加解密的对称分组密码算法，它利用本原多项式产生子密钥，采用交织，移位，异或等增加密系统的强度，并能在单片机上很方便地实现。     

一种基于分组密码的自同步序列密码模型

为防御传统自同步序列密码中普遍存在的相关攻击,以分组密码为新型序列源,提出一种基于分组密码的自同步序列密码模型.利用向量值函数的输出向量对分组密码的输出密文进行控选,以直接输出非线性密钥流,并分析模型的平衡性与完全性,证明该模型的密钥流生成器具备平衡性,且其生成密钥流与控制向量统计独立.给出线性移位寄存器状态改变l bit密钥流概率的下界.实验结果表明,该模型可降低源信息在输出密钥流中存在的熵漏,较好地抵抗相关攻击.     

KS分组密码算法的流水线实现

论文首先介绍了自行设计的KS分组密码算法,然后详细分析了该算法的高速流水线实现方法。用Stratix系列FPGA实现KS加密算法时,其加密速度可达到12.10Gbit/s。     

基于Feistel结构的超轻量级分组密码算法(PFP)

面向无线终端资源受限环境对加密算法的应用需求,借鉴PRESENT算法的设计思想,采用Feistel结构,并修改扩散层的P置换,设计了一种超轻量级分组密码算法PFP。其硬件实现需要1355GE,优于PRESENT算法,满足资源极端受限环境的需求(2000GE以下)。速度测试结果表明,PFP算法的软件实现效率约为PRESENT算法的1.5倍。依赖性测试、线性分析、差分分析、不可能差分分析和密钥编排攻击表明,PFP算法满足轻量级分组密码的安全需求。     

新型数学难题及其在分组密码中的应用研究

密码算法一般基于数学难题来保证安全性。目前已有的数学难题可以归结为求解一个或者一系列未知数。不同于已有的数学难题,文章提出一类新的数学难题,它求解的对象不是未知数,而是未知函数,这类难题并没有可行的求解方法。文章克服现实障碍,考虑穷举攻击的安全性,利用未知函数求解难题和未知数求解难题相结合的方法提出了构造分组密码的方案。加密和解密的函数为未知函数,未知函数由密钥确定,而密码分析者不知道密钥,所以无法确定密码函数。由于密码函数未知,所以大多数的密码分析方法需要的前提条件未知,从而无法进行分析。在文中方案下形成了一种新的单向性,关于密码函数的单向性,加密和解密者很容易确定加解密的函数,而密码分析者不能确定。文中方案针对现有的密码分析具有很好的安全性,文章还对可能的攻击方法进行了设想,提出了几种攻击思路,并且针对这些攻击对未知函数的各种具体形式的设计提出了一些原则性建议,以避免密码分析者通过各种线索确定函数的具体形式,或者经过转化将未知函数统一为一个已知函数。