深度学习在ARX分组密码差分分析的应用

随着计算机设备的飞速更新,先进的硬件和高效的计算能力让密码分析学者们越来越关注深度学习,基于深度学习的密码分析近年来成为研究热点.本文应用深度残差网络对分组密码进行差分分析,主要得到以下三项结果.第一,探究了神经网络模型面对密码算法的不同线性运算部件时的表现.基于控制变量法的思想,构造了Speckey和LAX32两类分组密码的神经网络差分区分器.结果表明, Speckey的有效区分器最高为7轮,准确率为0.69; LAX32的有效区分器最高为4轮,准确率为0.55.第二,以SIMON32/64为例,使用四类不同的输入数据格式分别训练了其7–10轮的神经网络差分区分器.分析结果发现,输入数据所含信息量不同时,相同轮数的区分器准确率的差距最多可达0.18.神经网络对所输入的密码信息的利用能力是存在局限性的,输入信息量达到一定程度后不会再使神经网络差分区分器的准确率提高.最后,将训练好的神经网络差分区分器应用到密钥恢复攻击中,对11轮SIMON32/64进行了部分密钥恢复攻击,当选择2⁸个明文对时,在1000次攻击中成功率可达95.6%.     

简化SIMON类算法的立方测试与分析*

针对轻量级分组密码算法SIMON的安全性分析,对SIMON32/64算法抵抗立方攻击的能力和算法内部结构对密钥比特的混淆和扩散性能力进行了评估。基于SIMON类算法的密钥编排特点和轮函数结构,结合立方分析的基本思想,利用FPGA测试平台设计了一个SIMON32/64的立方攻击和密钥中比特检测算法。测试结果表明：在立方变元取6维至24维时,对于7轮SIMON32/64算法,通过立方攻击能够直接恢复47比特密钥,攻击时间复杂度约为218.08;对于8轮SIMON32/64算法,能够直接恢复39比特密钥,攻击时间复杂度约为225.00。对于10轮,11轮SIMON32/64算法,通过立方测试均能够捕获到密钥中比特。     

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。     

基于整数的轻量级分组密码电路的同态运算

基于Gentry等在EUROCRYPT 2010上提出的整数上的全同态加密DGHV方案,结合批处理技术,给出了轻量级分组密码SIMON电路的状态切割同态运算实现方法;提出了半字节切割概念,给出了PRINCE电路的半字节切割同态运算实现方法。最后将PRINCE,SIMON-64/128,SIMON-128/256和AES-128电路的同态运算进行对比,分析给出了不同分组密码电路和不同实现方法的同态计算次数。     

深度学习在分组密码差分区分器上的研究应用

差分分析在分组密码分析领域是一种重要的研究方法, 针对分组密码的差分分析的重点在于找到一个轮数或者概率更大的差分区分器. 首先描述了通过深度学习技术构造差分区分器时所需要的数据集的构造方法, 并且分别基于卷积神经网络(convolutional neural networks, CNN)和残差神经网络(residual...     

基于多层前馈神经网络的分组密码设计

基于多层前馈神经网络的特性和分组密码的设计原则,构造了一种分组密码的数学模型,并用一个两层前馈网络具体实现了该分组密码体制.通过仿真,说明了该分组密码体制是可行的;通过对其安全性进行分析并与DES相比较,说明该分组密码体制具有较高的安全性,具有很好的混乱特征和扩散特征,并易于实现.     

一种新的超轻量级RFID认证协议

RFID(无线射频识别)技术以无线通信的方式广泛运用于生活生产的各个领域,如门禁设备、支付设备等,但阅读器和标签之间无线开放的通信环境使得RFID设备面临更多的恶意攻击和安全威胁。低成本标签只具有非常有限的计算能力和存储空间,一般的分组密码和hash函数等都不能用于低成本标签中。为了解决低成本标签的安全性问题,采用比特位运算密码原语,提出一种新的超轻量级RFID认证协议——SIUAP。SIUAP协议在SIMON 类算法的超轻量级轮函数F(x)和非线性函数MIXBITS运算的基础上,使用3种简单的比特位运算:比特AND运算、异或运算和循环移位运算,大大降低了计算复杂度。通过GNY逻辑对协议进行形式化的分析,证明了SIUAP协议能够实现阅读器和标签双向合法身份的认证,同时对SIUAP进行安全性分析。与现有的超轻量级认证协议相比,SIUAP协议具有较小的计算开销,能够满足RFID系统低成本、高安全性的需求。     

适用于受限设备的轻量级密码综述

随着物联网的快速发展,受限设备的安全性受到了严重的挑战,轻量级密码作为受限设备的主要安全措施受到越来越多研究人员的关注。针对轻量级密码的设计策略、安全性和实现性能问题的研究进展作了综述。阐述了轻量级密码常用的设计策略及设计中的关键问题,并对当前典型和常见的轻量级密码从原理、实现机制等诸多方面进行了分析和讨论。归纳总结了轻量级密码安全分析的常用方法,并强调了旁路攻击的威胁与加入防护机制时应注意的问题;从轻量级密码性能的各项重要指标的角度详细对比和分析了现有的轻量级密码算法,指出了面向硬件和面向软件实现的轻量级密码各自适用的场合;最后进一步指明了当前轻量级密码研究中尚未解决的一些难题和未来可能发展的方向。结合轻量级密码自身特征和其应用的环境等特点,指出轻量级密码安全性和实现性能的综合评估是未来值得不断深入研究的问题。     

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.     

轻量级密码算法Piccolo的统计故障分析

Piccolo算法是于2011年CHES会议上提出的一种轻量级分组密码算法,用于物联网环境中保护RFID、传感器、智能卡等电子设备的通信安全.目前国内外安全性分析研究集中在该算法的已知明文攻击和选择明文攻击,在攻击者能力最弱条件下的唯密文攻击尚无相关研究.文中提出了统计故障分析下Piccolo密码的安全性,即在唯密文条...     

Midori64分组密码算法的积分攻击

积分攻击是一种重要的密钥恢复攻击方法,已被广泛应用于多种分组算法分析任务.Midori64算法是一种轻量级分组密码算法,为对其进行积分攻击,构建3个6轮零相关区分器,将其分别转化为6轮平衡积分区分器并合成为一个性质优良的6轮零和积分区分器,将该零和积分区分器向前扩展1轮得到一个7轮零和积分区分器.分别采用部分和技术与快...     

Robin算法改进的6轮不可能差分攻击

Robin算法是Grosso等人在2014年提出的一个分组密码算法。研究该算法抵抗不可能差分攻击的能力。利用中间相错技术构造一条新的4轮不可能差分区分器,该区分器在密钥恢复阶段涉及到的轮密钥之间存在线性关系,在构造的区分器首尾各加一轮,对6轮Robin算法进行不可能差分攻击。攻击的数据复杂度为2118.8个选择明文,时间复杂度为293.97次6轮算法加密。与已有最好结果相比,在攻击轮数相同的情况下,通过挖掘轮密钥的信息,减少轮密钥的猜测量,进而降低攻击所需的时间复杂度,该攻击的时间复杂度约为原来的2?8。     

分组密码复杂线性层可分性传播的MILP刻画方法

混合整数线性规划(MILP)作为一种自动化搜索工具, 被广泛地应用于搜索分组密码的差分、线性、积分等密码性质. 提出一种基于动态选取策略构建MILP模型的新技术, 该技术在不同的条件下采用不同的约束不等式刻画密码性质的传播. 具体地, 从可分性出发根据输入可分性汉明重量的不同, 分别采用不同的方法构建线性层可分性传播的MILP模型. 最后, 将该技术应用于搜索uBlock和Saturnin算法的积分区分器. 实验结果表明: 对于uBlock128算法, 该技术可以搜索到比之前最优区分器多32个平衡比特的8轮积分区分器. 除此之外, 搜索到uBlock128和uBlock256算法比之前最优区分器更长一轮的9和10轮积分区分器. 对于Saturnin256算法, 同样搜索到比之前最优区分器更长一轮的9轮积分区分器.     

CHAM算法的安全性分析

本文主要研究基于ARX结构的轻量级分组密码CHAM算法,利用不可能差分分析、零相关线性分析对其进行安全性分析.首先,利用线性不等式组对算法的每个组件进行等价刻画,描述了差分特征和线性掩码的传播规律,建立了基于MILP(混合整数规划问题)的不可能差分和零相关线性自动化搜索模型.其次,根据CHAM算法四分支广义Feistel结构的特点,得到CHAM算法特定形式(输入或者输出差分(掩码)仅含有一个非零块)下的最长不可能差分路径和零相关线性路径具有的性质,优化了搜索策略,缩小了搜索空间.最后,利用搜索算法,遍历特定的输入输出集合,共得到CHAM-64的5条19轮不可能差分区分器,CHAM-128的1条18轮不可能差分区分器和15条19轮零相关线性区分器,均为目前公开发表的最长同类型区分器.     

基于MILP搜索的ANU算法积分分析

ANU算法是由Bansod等人发表在SCN 2016上的一种超轻量级的Feistel结构的分组密码算法。截至目前,没有人提出针对该算法的积分攻击。为了研究ANU算法抗积分攻击的安全性,根据ANU算法的结构建立起基于比特可分性的MILP模型。对该模型进行求解,首次得到ANU算法的9轮积分区分器;利用搜索到的9轮区分器以及轮密钥之间的相关性,对128 bit密钥长度的ANU算法进行12轮密钥恢复攻击,能够恢复43 bit轮密钥。该攻击的数据复杂度为2^63.58个选择明文,时间复杂度为2^88.42次12轮算法加密,存储复杂度为2³³个存储单元。     

SNAKE(2)分组密码的积分攻击

针对目前对SNAKE算法的安全性分析主要是插值攻击及不可能差分攻击,评估了SNAKE(2)算法对积分攻击的抵抗能力。利用高阶积分的思想,构造了一个8轮区分器,利用该区分器,对SNAKE(2)算法进行了9轮、10轮积分攻击。攻击结果表明,SNAKE(2)算法对10轮积分攻击是不免疫的。     

10轮Midori128的中间相遇攻击

轻量级分组密码由于软硬件实现代价小且功耗低,被广泛地运用资源受限的智能设备中保护数据的安全。Midori是在2015年亚密会议上发布的轻量级分组密码算法,分组长度分为64 bit和128 bit两种,分别记为Midori64和Midori128,目前仍没有Midori128抵抗中间相遇攻击的结果。通过研究Midori128算法基本结构和密钥编排计划特点,结合差分枚举和相关密钥筛选技巧构造了一条7轮中间相遇区分器。再在此区分器前端增加一轮,后端增加两轮,利用时空折中的方法,提出对10轮的Midori128算法的第一个中间相遇攻击,整个攻击需要的时间复杂度为2126.5次10轮Midori128加密,数据复杂度为2125选择明文,存储复杂度2105 128-bit块,这是首次对Midori128进行了中间相遇攻击。     

E2算法的中间相遇攻击

作为AES的候选算法,E2算法由于其特殊的两层SP结构一直是人们研究的热点。研究了E2算法抵抗中间相遇攻击的能力。基于E2算法的结构,利用中间相遇的思想设计了一个4轮区分器,利用该区分器,对E2算法进行了5轮、6轮中间相遇攻击。研究结果表明,E2-128算法对于5轮中间相遇攻击以及E2-256算法对于6轮中间相遇攻击是不抵抗的。这是首次用中间相遇的攻击方法对E2算法进行的分析,相对于已有的结果,该方法降低了所用数据复杂度。     

7轮ARIA-256的不可能差分新攻击

如何针对分组密码标准ARIA给出新的安全性分析是当前的研究热点。基于ARIA的算法结构,利用中间相遇的思想设计了一个新的4轮不可能差分区分器。基于该区分器,结合ARIA算法特点,在前面加2轮,后面加1轮,构成7轮ARIA-256的新攻击。研究结果表明：攻击7轮ARIA-256所需的数据复杂度约为2120选择明文数据量,所需的时间复杂度约为2219次7轮ARIA-256加密。与已有的7轮ARIA-256不可能差分攻击结果相比较,新攻击进一步地降低了所需的数据复杂度和时间复杂度。