AKCN-MLWE算法AVX2高效实现

随着量子计算机的快速发展,经典密码系统面临巨大的威胁.Shor算法可以在量子计算机上多项式时间内分解大整数和求解离散对数,而这两类问题分别对应经典公钥密码系统中的RSA和椭圆曲线密码(ECC)所依赖的困难问题,因此可以抵御量子计算攻击的后量子密码近年来受到广泛的研究.格密码是后量子密码中最为高效且拓展性强的一类密码算法,在未来会逐步替代传统公钥密码算法(RSA、ECC等).256位高级向量扩展(AVX2)指令集是英特尔64位处理器中普遍支持的一类单指令多数据(SIMD)指令集,可用于并行计算.但是,由于格密码结构复杂,在支持AVX2指令集的英特尔64位处理器上难以对格密码方案进行高适配的深度优化.AKCN MLWE算法是我国自主设计的基于模格上容错学习(MLWE)问题的格密码密钥封装(KEM)方案,是中国密码学会举办的公钥密码算法竞赛第二轮的获奖算法.本文基于256位高级向量扩展(AVX2)指令集设计了针对AKCN MLWE算法的高效实现方案,包括以下几个关键优化点:针对多项式乘法,本文结合最优的数论变换(NTT)算法,将NTT的最后一层转换为线性多项式并使用Karatsuba算法进行加速计算,大幅提升计算效率的同时减少了预计算表的空间占用;针对取模运算,本文结合了Barrett约减算法和蒙哥马利约减算法的优势,同时采用延迟约减技术降低取模次数;本文针对所有多项式运算均实现了高度并行化,设计了针对多项式压缩与解压缩的并行算法,进一步提升了实现效率.本文设计的AKCN-MLWE算法AVX2高效实现方案在八核Intel Core i99880H处理器上仅需不到0.04 ms即可完成一次完整的KEM(包括密钥生成、密钥封装和密钥解封装),相比于参考实现提升8.84倍,其中密钥生成提升7.07倍,密钥封装提升7.90倍,密钥解封装算法提升11.78倍.本文提出的AKCN MLWE算法AVX2实现方案在相近经典安全强度下性能优于美国国家标准技术研究所(NIST)后量子密码标准化进程第二轮中众多格密码方案(Kyber、NewHope和Saber等).同时,本文设计的部分优化方案可用于提升Kyber、NewHope等格密码方案的性能.     

格基密钥封装算法OSKR/OKAI硬件高效实现

量子计算技术的快速发展为现有公钥密码体系(RSA、椭圆曲线密码等)带来了巨大的挑战,为了抵御量子计算的攻击,后量子密码技术受到了学术界和工业界的广泛研究.其中,格基密码方案具有良好的安全性与实现效率,成为后量子密码领域的主要研究方向之一.最近,美国标准与技术研究院公布了基于模格MLWE困难问题的Kyber算法作为密钥封装方案的标准,2019年我国举行的后量子密码算法竞赛的一等奖获奖算法Aigis也是基于同类困难问题.基于非对称密钥共识机制、混合数论变换、封装512比特密钥长度等技术,我国学者进一步提出了Kyber和Aigis的优化算法:OSKR和OKAI.针对算法设计高效、统一的硬件架构对我国推进后量子密码的标准化进程具有重要的借鉴意义.本文基于FPGA平台设计实现OSKR和OKAI两种算法的专用电路结构,主要工作如下:设计了一种四并行的多项式运算模块,可实现多种模值参数(3329和7681)下的数论变换、多项式乘法、多项式压缩等运算过程,从而提升了算法的整体运行效率;在此基础上设计了多功能采样模块、编解码模块和存储模块等,充分利用FPGA平台并行性的特点研究核心运算模块的优化设计.考...     

NTRU格上高效紧凑密钥封装方案

基于NTRU格设计后量子密钥封装方案是格密码领域主流方向之一. 为降低密文尺寸,现有方案会引入额外的困难性假设和使用纠错码来辅助压缩密文,但这会导致方案的假设过强和实现更复杂. 为克服这些障碍,提出了一个仅基于NTRU单向困难性假设、不使用纠错码也能压缩密文的高效紧凑的密钥封装方案LTRU. 给出一套性能均衡的LTRU参数集：具有128 b量子安全强度、与之匹配且可忽略的错误率、较小的公钥尺寸和密文尺寸.LTRU基于NTT友好环构造,给出一种高效的混合基数论变换算法来计算该环上多项式运算还给出了LTRU的C实现和AVX2实现. 与NIST第3轮决赛方案NTRU-HRSS相比,LTRU的经典安全强度和量子安全强度分别增强6 b和5 b,LTRU的公钥尺寸降低14.6%,密文尺寸降低26.0%,总带宽降低20.3%;在AVX2实现的密钥生成和解封装算法上分别快了10.9倍和1.7倍.

     

面向格密码的能耗分析攻击技术

量子计算的飞速发展对传统密码的安全性带来巨大挑战,Peter Shor提出的量子计算模型下分解整数和计算离散对数的多项式时间算法对基于传统数论难题的密码系统构成了威胁.美国国家标准与技术研究院(NIST)于2016年开始征集后量子公钥密码算法标准,其中,大多基于格、基于哈希、基于编码、基于多变量这四种密码体制,而基于格的密码体制在其公钥尺寸、计算效率和安全性方面具有更好的平衡性,所占比例最大.然而,格密码的实现在实际环境中易遭受能耗分析攻击(Power Analysis Attacks).能耗分析攻击是利用密码设备运行过程中产生的功耗、电磁等信息,攻击者建立这些旁路信息与密码算法中间值之间的联系从而恢复密钥等敏感信息.自从能耗分析攻击出现以来,该类攻击手段严重威胁了密码系统的安全.随着量子计算的发展,后量子密码的安全性日益成为密码研究的热点,特别地,近期NIST公布了最新轮的后量子密码算法,作为占据比例最多的格密码,其侧信道安全性也受到了学术界的广泛关注.本文针对格密码的能耗分析攻击技术从攻击模型、攻击目标、攻击条件开展研究,分析了面向格密码的攻击原理、格密码的各个算子的侧信道安全性,...     

抗量子格密码体制的快速数论变换算法研究综述

量子计算机的迅速发展给传统的RSA密码、ECC等公钥密码体制带来严重的安全威胁.在抗量子公钥密码体制中,基于格的密码体制是重要的研究类型之一,对算法快速实现的研究具有重要意义.快速数论变换算法是格密码体制的核心运算,其运算效率是实现格密码算法的关键.文章主要对格密码体制中的快速数论变换算法的研究进展,特别是近年来在各种...     

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。     

公钥密码的量子攻击研究现状与展望

近些年,随着量子计算的发展,以Shor算法为首的量子算法展现了对公钥密码体制的严重威胁。研究者们一方面研究量子算法对公钥密码的攻击实现,一方面着手后量子密码算法的过渡迁移。就此议题,首先介绍几类常用的公钥密码算法和相关量子攻击算法。其次,重点介绍Shor算法以及量子优化等算法攻击公钥密码算法的国内外研究现状,特别是对RSA和ECC的攻击实现以及当前存在的困难。最后,结合当前公钥密码量子攻击的研究进展以及后量子密码的发展,对产学研的未来发展规划作出了一些建议与展望。     

后量子密码算法的侧信道攻击与防御综述

为了解决量子计算对公钥密码安全的威胁,后量子密码成为密码领域的前沿焦点研究问题.后量子密码通过数学理论保证了算法的安全性,但在具体实现和应用中易受侧信道攻击,这严重威胁到后量子密码的安全性.基于美国NIST第2轮候选算法和中国CACR公钥密码竞赛第2轮的候选算法,针对基于格、基于编码、基于哈希、基于多变量等多种后量子密...     

NTRU的有效实现方案研究

NTRU是Jeffrey Hoffstein等在1996年提出的一种新的公钥密码体制,其安全性基于大维数格中寻找最短向量的数学难题.NTRU公开密钥体制算法主要对象是对N-1次多项式进行加、减、乘、模运算,所以该加密解密的速度比RSA等著名算法快得多,和椭圆曲线密码体制一起,成为新一代最优秀的公钥密码体制.对NTRU的设计原理以独特的思维方法进行了分析,并对主要算法进行了优化设计和实现分析.特别地,给出了算法的优化分析及完整实现方案,大大提高了系统的性能.     

多模式多变量公钥密码体制

针对量子计算机对公钥密码体制的挑战,提出一种能抵抗量子算法的多模式多变量公钥密码算法。量子计算机在解决多变量多项式问题并无高效算法,在传统多变量公钥密码体制的基础上,使用多分支模式,在分支内部采用加模式、减模式和迭代模式,增强了多变量公钥密码体制的安全性。通过分析各种常见攻击的复杂度,多模式多变量公钥密码体制能有效抵抗各种攻击,可以应用于加解密、签名和数据完整性验证。     

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。     

Post-quantum cryptography for automotive systems

Automotive systems have become powerful computing platforms with an increasing demand for secure communication. The hyperconnectivity of the Vehicle-to-Everything (V2X) environment drastically increases the attack surface and the need for crypto-agility. In addition, the long lifecycle of automotive products demands that not only current but also future attacks are considered. Thus, empowering automotive devices with efficient, robust, and long-term security solutions is challenging. The foreseeable breakthrough of quantum computers and their threat to traditional cryptography requires that automotive devices are able to efficiently implement quantum secure cryptographic mechanisms, also known as Post-Quantum Cryptography (PQC). One of the most promising PQC approaches is lattice-based cryptography. Among the seven finalists of the NIST third round post-quantum standardization process, five algorithms (three KEM/encryption and two signature algorithms) belong to the category of lattice-based cryptography. While lattice-based cryptography has been previously integrated in general-purpose microcontrollers, their impact on automotive environments has been neglected. To this end, this work presents two contributions. As a first contribution, we provide a performance exploration of four lattice-based KEM/encryption algorithms implemented on the automotive microcontroller AURIX. The exploration includes the three finalists CRYSTALS-KYBER, NTRU, and Saber, together with ThreeBears. Despite ThreeBears was not selected as a PQC finalist, NIST recommended further investigations in this direction due to interesting security and performance characteristics of the algorithm. Our analysis has shown that all of these algorithms can be implemented on the AURIX microcontroller while achieving a competitive performance. As a second contribution, we explore the improvement of the security level of ThreeBears by extending its error correction capability.     

CRYSTAL-KYBER硬件设计优化空间探索

公钥密码学对全球数字信息系统的安全起着至关重要的作用。然而,随着量子计算机研究的发展和Shor算法等的出现,公钥密码学的安全性受到了潜在的极大的威胁。因此,能够抵抗量子计算机攻击的密码算法开始受到密码学界的关注,美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)发起了后量子密码(Post-quantum cryptography,PQC)算法标准全球征集竞赛。在参选的算法中,基于格的算法在安全性、公钥私钥尺寸和运算速度中达到了较好的权衡,因此是最有潜力的后量子加密算法体制。而CRYSTALS-KYBER作为基于格的密钥封装算法(Key encapsulation mechanism,KEM),通过了该全球征集竞赛的三轮遴选。对于后量子密码算法,算法的硬件实现效率是一个重要评价指标。因此,本文使用高层次综合工具(High-level synthesis,HLS),针对CRYSTALS-KYBER的三个主模块(密钥生成,密钥封装和密钥解封装),在不同参数集下探索了硬件设计的实现和优化空间。作为一种快速便捷的电路设计方法,HLS可以用来对不同算法的硬件实现进行高效和便捷的探索。本文利用该工具,对CRYSTALS-KYBER的软件代码进行了分析,并尝试不同的组合策略来优化HLS硬件实现结果,并最终获得了最优化的电路结构。同时,本文编写了tcl-perl协同脚本,以自动化地搜索最优优化策略,获得最优电路结构。实验结果表明,适度优化循环和时序约束可以大大提高HLS综合得到的KYBER电路性能。与已有的软件实现相比,本文具有明显的性能优势。与HLS实现工作相比,本文对Kyber-512的优化使得封装算法的性能提高了75%,解封装算法的性能提高了55.1%。与基准数据相比,密钥生成算法的性能提高了44.2%。对于CRYSTALS-KYBER的另外两个参数集(Kyber-768和Kyber-1024),本文也获得了类似的优化效果。     

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%。     

国产通用处理器密码算法指令实现研究

介绍了国际主流密码算法AES和SHA,综述了当前主流通用处理器架构的密码算法指令发展现状。为提高国产通用处理器在密码安全领域的性能,设计了面向国产通用处理器的AES和SHA密码算法扩展指令集,实现了能全流水执行的AES和SHA密码算法指令执行部件,并进行了实现评估和优化。该密码算法指令执行部件的工作频率达2.0 GHz,总面积为17 644μm²,总功耗为59.62 mW,相比软件采用原有通用指令实现,对AES密码算法的最小加速比为8.90倍,对SHA密码算法的最小加速比为4.47倍,在指令全流水执行时可达19.30倍,显著地改善了处理器执行AES和SHA密码算法的性能,有望应用于国产通用处理器并进一步提升国产通用处理器芯片在密码安全应用领域的竞争力。此外,该密码算法指令部件还可以封装成专门用于支持密码算法的IP,应用在密码安全领域的专用芯片中。     

后量子可证明安全研究

后量子密码经过数十年的发展，其效率已经趋于实用化，其标准化工作也正在开展中。与此同时，对量子环境中的密码方案的可证明安全理论的研究在近十年也备受关注。本文将介绍近年来后量子可证明安全领域的发展和研究现状，包括经典密码方案在量子环境中的安全模型建立、安全概念定义，以及经典环境和量子环境中的安全性的分离结论和蕴含结论，并重点介绍量子随机谕言模型中的安全性证明。对后量子可证明安全理论的研究，对于合理评估密码算法在量子环境中的安全性、实现到后量子密码算法的安全平稳过渡具有重要意义。     

基于ARM Cortex-M4的构件化汇编框架的研究

规范易用的汇编框架与样例是微处理器深层次应用开发的基础,但汇编编程复杂,并且目前针对32位ARM Cortex-M4的汇编程序资料和样例程序非常匮乏,学习难度大,开发工作困难重重。在深入分析ARM Cortex-M4汇编指令系统和寻址方式的基础上,以NXP半导体公司发布的Kinetis K(KK)系列MCU为蓝本,根据软件工程思想和构件设计理论,提出层次架构的工程框架建模思想,并构建基于ARM Cortex-M4内核的构件化汇编框架,据此制作GPlO驱动构件。指示灯闪烁样例工程的设计及测试结果表明了汇编框架规范、实用、易用,能降低嵌入式汇编语言的学习难度。框架能为业界基于ARM Cortex-M4的汇编开发提供参考。     

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%。