密码学的发展研究

本文简述私钥密码学与公钥密码学的工作原理、应用方向,有代表性的密码系统,密码今后的发展方向和相应的理论依据。     

一种基于编码的公钥密码体制的参数选择研究

TCHo公钥密码体制是“Trapdoor Cipher,Hardware Oriented＆quot;的缩写,是受快速相关攻击中的陷门密码启发而得到的一种基于编码的公钥密码体制.它能抵抗量子计算机的攻击,是一种后量子密码体制.2006年,Finiasz和Vaudenay提出了TCHo公钥密码体制的一种非多项式解密时间的早期版本.2007年,Aumasson等人介绍了使用启发式算法多项式复杂度的TCHo密码体制.2013年,Alexandre和Serge在“Advances in Network Analysis and its Applications”一书中系统介绍了TCHo密码体制.它的安全性基于低重量多项式的倍式问题和带噪声的LFSR区分问题,因此参数的选择决定了密码体制的安全性与可靠性.文章详细介绍了TCHo密码体制,针对TCHo密码体制的参数选择进行了分析,指出该密码体制达到唯一译码的条件,并给出了衡量密码体制可靠性程度的计算公式,同时提出了参数选择的一种方法,从而使密码体制更可靠.     

基于脉动阵列的卷积计算模块硬件设计

针对FPGA实现卷积神经网络中卷积计算的过程中,高并行度带来长广播、多扇入/扇出的数据通路问题,采用脉动阵列来实现卷积神经网络中卷积计算模块,将权重固定到每个处理单元中,并按照输入和输出特征图的维度来设置脉动阵列的大小,最后通过Vivado高层次综合实现卷积计算模块的硬件设计。实验结果表明,本设计在实现1级流水化时序要求的同时,具有较低的资源占用和良好的扩展性。     

基于编码的后量子公钥密码研究进展

基于编码的公钥密码由于能抵抗量子攻击和美国NIST后量子公钥密码算法的征集而受到越来越多的关注。本文主要围绕最近的基于编码的NIST抗量子攻击公钥密码征集算法,梳理基于编码的公钥方案具有的特点,即三种加密方式,三种重要的参与码类,三种安全性基于的困难问题,为对这方面有兴趣的科研人员提供一篇综述性论文。     

一个基于NTRU设计思想的新型密码算法

NTRU是一个快速公钥密码系统,但当其用于数字签名和数据块加密时需要在参数上进行诸多考虑和慎重处理,而且难于分析。本文借助NTRU设计时所用的明文分离处理思想设计了一个只使用到大数模乘法的新型密码算法,密钥长度很短,密文扩展也不太大,具有更快的加解密速度。     

PKI体系结构及算法浅析

PKI技术是目前使用最广泛的网络安全技术,本文介绍了其基本概念和发展概况,并对其理论基础和系统组成进行了介绍和分析．最后对PKI技术的应用前景进行了展望。     

基于Gentry全同态加密算法公钥个数优化的研究

Gentry的全同态加密算法（Fully Homomorphic Encryption）运算需要大量的空间存储所需要的公钥,给实际操作带来一定的难度,本文提出了对全同态加密算法的优化,在不影响安全性的同时,节省了系统加密时间,减少公钥的存储空间,提高了算法的可操作性和运算效率。     

区块链密码学隐私保护技术综述

近年来,数据隐私问题日益明显,如何在区块链中实现有效的隐私保护是研究热点。针对区块链在隐私保护上的研究现状与发展态势,阐述了区块链在交易地址、预言机以及智能合约上的隐私保护方法,归纳出区块链在基本要素防护上的隐私策略。基于国内外高水平文献梳理分析了特殊密码学原语、后量子密码学两类区块链密码学防护方法及使用场景,综述其研究思路,并给出属性基加密、特殊数据签名、同态加密、安全多方计算、零知识证明、格密码等适用于区块链隐私保护的密码学技术的优缺点,得出区块链应用的隐私防护离不开密码学技术支持的结论。针对区块链隐私保护技术,从基本要素防护和密码学防护两个方面进行了分析,总结出仅从区块链的应用层、合约层出发难以有效解决隐私问题,还需要利用各类密码学技术根据需求和应用场景的不同进行优势互补。根据区块链隐私加密技术发展现状,从区块链基本要素防护和基于密码学的防护展开叙述。从内生性基本要素安全和外生性密码学隐私安全两个角度出发,先研究基本要素隐私防护,再深入分析区块链隐私密码学防护技术。在对应防护措施中以技术联合实际应用发展,考虑技术时效性的同时,衡量其隐私处理方面的优劣势以及潜在价值。展望了未来区块...     

抗量子计算密码体制研究（待续）

量子计算机的发展,对目前广泛应用的RSA、ECC等公钥密码体制构成了严重的威胁,面临量子计算机的挑战,国际上掀起了抗量子计算公钥密码的研究热潮。介绍了常见的几种抗量子公钥密码体制,对这些方案作出了较为详细的评述,并对这一领域的研究与发展给出了展望,同时指出了一系列值得研究的开放问题。     

抗量子计算密码体制研究（续前）

该文首先介绍了量子计算机的发展现状,指出其对目前广泛应用的RSA、ECC等公钥密码体制构成了严重的威胁。面对量子计算机的挑战,国际上掀起了抗量子计算公钥密码的研究热潮。该文介绍了常见的几种抗量子公钥密码体制,对这些方案作出了较为详细的评述,并对这一领域的研究与发展给出了展望,同时指出了一系列值得研究的开放问题。     

Aigis密钥封装算法多平台高效实现与优化

量子计算技术快速发展带来的新挑战使得后量子密码(post-quantum cryptography, PQC)成为当前密码学界研究热点.基于格的密码方案因其安全高效的特性,已经成为后量子公钥密码的主流之一.Aigis密钥封装算法(Aigis-enc)是我国学者自主设计的基于模格上非对称错误学习(A-MLWE)问题的后量子密码算法,是中国密码学会举办的全国密码算法设计竞赛公钥密码算法一等奖获奖算法之一.为了应对量子攻击,维护国家网络空间的长远安全,为未来国家后量子密码算法标准的制定和实际部署贡献力量,对我国自行研发的优秀后量子密码算法进行优化具有重要意义.工作重点关注Aigis-enc算法在不同平台的实现优化,包含高性能平台的快速并行实现与嵌入式低功耗平台的紧凑实现.具体而言,运用单指令多数据流(single instruction multiple data, SIMD)指令,充分优化了Aigis-enc现有AVX2实现,并提供了其首个ARM Cortex-M4平台的轻量级紧凑实现.实现包含4个关键优化点:降低Montgomery约减与Barrett约减汇编指令数目,提升了约减效率;使用裁剪层数的数论变换并优化指令流水调度,加速多项式乘法运算并减少了预计算表存储需求;提供了多项式序列化与反序列化的并行汇编指令实现,加快了编码解码与加解密过程;结合on-the-fly计算与空间复用优化算法存储空间.实验结果表明：提出的优化技术在8核Intel Core i7处理器上可将Aigis-enc算法原始AVX2实现提升25%,且大幅减少了其在ARM Cortex-M4平台的预计算表存储、代码尺寸与运行堆栈占用,对算法的实际应用有重要现实意义.     

应用于后量子密码的高速高效SHA-3硬件单元设计

随着量子计算技术的高速发展,传统的公钥密码体制正在遭受破译的威胁,将现有加密技术过渡到具有量子安全的后量子密码方案上是现阶段密码学界的研究热点。在现有的后量子密码(Post-Quantum Cryptography,PQC)方案中,基于格问题的密码方案由于其安全性,易实施性和使用灵活的众多优点,成为了最具潜力的PQC方案。SHA-3作为格密码方案中用于生成伪随机序列以及对关键信息散列的核心算子之一,其实现性能对整体后量子密码方案性能具有重要影响。考虑到今后PQC在多种设备场景下部署的巨大需求,SHA-3的硬件实现面临着高性能与有限资源开销相互制约的瓶颈挑战。对此,本文提出了一种高效高速的SHA-3硬件结构,这种结构可以应用于所有的SHA-3家族函数中。首先,本设计将64 bit轮常数简化为7 bit,既减少了轮常数所需的存储空间,也降低了运算复杂度。其次,提出了一种新型的流水线结构,这种新型结构相比于通常的流水线结构对关键路径分割得更加均匀。最后,将新型流水线结构与展开的优化方法结合,使系统的吞吐量大幅提高。本设计基于XilinxVirtex-6现场可编程逻辑阵列(FPGA)完成了原型实现,结果显示,所设计的SHA-3硬件单元最高工作频率可达459 MHz,效率达到14.71 Mbps/Slice。相比于现有的相关设计,最大工作频率提高了10.9%,效率提升了28.2%。     

Hardware Design and Implementation of ElGamal Public-Key Cryptography Algorithm

ABSTRACT

Demands on secure communications have increased dramatically in the last few years. Cryptography is widely used for secure data transmission. In fact, cryptographic algorithms are expected to be embedded in most applications that involve transfer of private information. The ElGamal public-key cryptography (PKC) algorithm is considered to be one of the most efficient and popular algorithms that provides a high level of security. In this article, we propose a hardware design and an implementation using FPGAs for ElGamal PKC algorithm. Experimental results of the implementation are presented, analyzed, and discussed.     

基于MLWE的格密码高效硬件实现

后量子密码的发展已经引起各界的广泛关注,硬件实现效率是后量子密码最终标准的重要衡量指标之一。其中基于模误差学习问题(Module Learning With Errors,MLWE)的CRYSTALS-Kyber格密码是NIST第三轮后量子密码标准中最有希望的一种加密方案,可变的公钥矩阵维度参数k将基于MLWE的公钥加密方案的安全性扩展到不同级别,相较于其他格密码方案更具灵活性和安全性。本文首先分析了基于NIST第三轮最新参数q=3329的MLWE的格密码公钥加密方案的算法理论,并针对其中的核心模块—多项式乘法模块提出了两种不同的硬件实现方式。两种多项式乘法硬件实现方式都是采用基于频率抽取的数论变换(Number Theoretic Transform,NTT)算法,使用NTT算法实现多项式乘法降低了传统算法实现的线性复杂度,在硬件结构上能够面对不同应用场景进行优化,因此本文针对NTT算法中循环计算的核心模块提出了两种不同的优化硬件结构。一是面积和执行时间折中的迭代型NTT硬件结构,二是高性能低时延的多路延时转接(Multi-path Delay Commutator)的流水型NTT硬件结构;并且针对于面积时间均衡的迭代型NTT模块设计了一种整体MLWE硬件实现结构。与已有的先进设计相比,本文的流水型NTT结构具备更好的速度性能,在速度上相较于之前的设计分别提升11.64%和59.43%。而对于使用迭代型NTT的MLWE整体实现方案,本文的设计使用了最少的周期和最小的面积时间乘积(Area-Time-Product,ATP),其效率比最新发表的工作的硬件效率实现高2倍左右。     

后量子加密算法的硬件实现综述

现有的密码体制大多基于RSA、ECC等公钥密码体制,在信息安全系统中实现密钥交换、数字签名和身份认证等,有其独特的优势,其安全性分别依赖于解决整数分解问题和离散对数问题的难度。近年来,随着量子计算机的快速发展,破解上述数学问题的时间大幅减少,这将严重损害数字通信的安全性、保密性和完整性。与此同时,一个新的密码学领域,即后量子密码学应运而生,基于它的加密算法可以对抗量子计算机的攻击,因此成为近年来的热点研究方向。2016年以来,NIST向世界各地的研究者征集候选抗量子密码学方案,并对全部方案进行安全性、成本和性能的评估,最终通过评估的候选方案将被标准化。本文比较了NIST后量子密码学算法征集(第2轮、第3轮)的各个方案,概述目前后量子加密算法的主要实现方法:基于哈希、基于编码、基于格和基于多变量,分析了各自的安全性,签名参数及计算量的特点以及后期的优化方向。PQC算法在硬件实现上的挑战其一是算法规范的数学复杂性,这些规范通常是由密码学家编写的,关注的重点是其安全性而非实现的效率,其二需要存储大型公钥、私钥和内部状态,这可能会导致不能实现真正的轻量级,从而降低硬件实现的效率。本文重点介绍了目前后量子加密算法的硬件实现方式,包括PQC硬件应用程序编程接口的开发,基于HLS的抽象实现和基于FPGA/ASIC平台的硬件实现。PQC方案的硬件化过程中不仅需要算法的高效实现,同时需要抵抗针对硬件结构的侧信道攻击。侧信道攻击可以通过来自目标设备泄露的相关信息来提取密码设备的密钥。本文讨论了后量子加密算法在具体实现和应用中受到侧信道攻击类别和防御对策。     

基于面向方面编程的硬件设计空间搜索方法

作为面向对象程序设计语言后继的新一代编程语言,面向方面程序设计语言早先主要应用于软件设计领域。基于AspecC++和SystemC,本文提出了一种新的在系统层次构建硬件模块原型的方法。该方法可以用于硬件系统的快速设计空间搜索。本文以一个32位加法器的例子显示了该方法的有效性。     

基于BRLWE的物联网后量子加密技术研究

随着量子计算机的发展,现有的公钥加密体系无法保障物联网通信的安全性。后量子加密算法所基于的数学难题目前还不能被量子计算机攻破,因此具备良好的抗量子安全性,尤其是基于格的公钥密码体制,有望成为下一代公钥加密体系的主流。然而,后量子加密算法存在计算量大、存储空间大等问题,如果将其直接应用于物联网终端的轻量级设备中,会降低物联网环境的通信效率。为了更好地保护物联网通信安全,保障物联网通信效率,提出了Sym-BRLWE(symmetrical binary RLWE)后量子加密算法。该算法在基于二进制环上容错学习(BRLWE,binary ring-learning with errors)问题的加密算法的基础上,改进了离散均匀分布上的随机数选取方式和多项式乘法的计算方式,从而满足物联网通信的效率要求,增加了加密安全性防护性措施以保证算法在取得高效率的同时具有高安全性,更加适应于物联网轻量设备。安全性分析表明,Sym-BRLWE加密算法具有高安全性,从理论上能够抵抗格攻击、时序攻击、简单能量分析和差分能量分析;仿真实验结果表明,Sym-BRLWE加密算法具有通信效率高的优势,加密解密效率高且密钥尺寸小,在模拟8 bit微型设备的二进制运算环境下,选择140 bit的抗量子安全级别参数时,相较于其他已有的基于BRLWE的加密算法,同等加密条件下Sym-BRLWE加密算法能够在加密总时间上减少30%~40%。     

一种面向可重构硬件的编译中间表示方法

中间表示氓是构建编译和高级综合工具的基础。本文设计了一种面向可重构硬件的编译中间表示方法。这一工作是我们设计的高级综合工具的一部分。实验结果表明,应用这 一中间表示,可以将C源程序高效地映射到目标可重构硬件上。     

采用组合优化算法的深空探测轨迹优化

针对在2015年1月1日之后的10年期间,距地球三维轨迹1000万km内的1067颗行星进行探测,深空探测飞行器从地球出发,采用小推力控制,为了在10年时间内飞过的行星最多,给出了一种深空探测4-D飞行轨迹的全局优化算法,即采用静态参数＋动态参数的优化算法。经过长时间大规模的飞行数值仿真,飞行仿真出航天器的4-D最优飞行轨迹,在10年内路过了1067颗行星中的20颗行星。