轻量级分组密码Pyjamask的不可能差分分析

Pyjamask是美国国家技术标准研究院征选后量子时代轻量级密码算法中进入第二轮的候选分组密码,对其抵抗现在流行的不可能差分分析分析为未来在实际系统中使用起到重要的作用.提出一些2.5轮不可能差分链并分析它们的结构特点和攻击效率,在一些最有效的不可能差分链的前后各接1轮和半轮,形成4轮Py-jamask多重不可能差分攻击路径.攻击结果表明Pyjamask的行混淆运算扩散性比较强,能较好地抵抗不可能差分分析,此结果是对Pyjamask安全性分析的一个重要补充.     

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.     

PFP算法改进的不可能差分分析

目前资源受限环境的应用场景越来越多,该场景下的数据加密需求也随之增加。以国际标准PRESENT算法为代表的一大批轻量级分组密码应运而生。PFP算法是一种基于Feistel结构的超轻量级分组密码算法,它的轮函数设计借鉴了国际标准PRESENT算法的设计思想。PFP算法的分组长度为64比特,密钥长度为80比特,迭代轮数为34轮。针对PFP算法,研究了其抵抗不可能差分分析的能力。在该算法的设计文档中,设计者利用5轮不可能差分区分器攻击6轮的PFP算法,能够恢复32比特的种子密钥。与该结果相比,文中通过研究轮函数的具体设计细节,利用S盒的差分性质构造出7轮不可能差分区分器,并攻击9轮的PFP算法,能够恢复36比特的种子密钥。该结果无论在攻击轮数还是恢复的密钥量方面,均优于已有结果,是目前PFP算法最好的不可能差分分析结果。     

21轮CRAFT算法不可能差分分析

CRAFT是FSE 2019年提出的一种轻量级可调分组密码,适用于硬件实现面积小且资源受限设备保护信息的安全.该算法使用128 bit密钥和64 bit调柄值加密64 bit明文,对其进行安全性评估,可以为日后使用提供理论依据.通过研究CRAFT的结构特点和密钥编排方案的冗余性,利用预计算表、等效密钥和轮密钥线性关系等技术,选取一条充分利用密钥冗余性的13轮不可能差分链,在其前后分别接3轮和5轮,提出了对21轮CRAFT的不可能差分分析.攻击的时间、数据和存储复杂度为296.74次加密,253.6个选择明文和256.664-比特块.此攻击是对缩减轮CRAFT算法在单密钥和单调柄值情形下时间复杂度最低的分析.该方法依赖于调柄值调度算法的线性相关,有助于更进一步理解CRAFT的设计.     

21轮CRAFT算法不可能差分分析

CRAFT是FSE 2019年提出的一种轻量级可调分组密码,适用于硬件实现面积小且资源受限设备保护信息的安全.该算法使用128 bit密钥和64 bit调柄值加密64 bit明文,对其进行安全性评估,可以为日后使用提供理论依据.通过研究CRAFT的结构特点和密钥编排方案的冗余性,利用预计算表、等效密钥和轮密钥线性关系等技术,选取一条充分利用密钥冗余性的13轮不可能差分链,在其前后分别接3轮和5轮,提出了对21轮CRAFT的不可能差分分析.攻击的时间、数据和存储复杂度为296.74次加密,253.6个选择明文和256.664-比特块.此攻击是对缩减轮CRAFT算法在单密钥和单调柄值情形下时间复杂度最低的分析.该方法依赖于调柄值调度算法的线性相关,有助于更进一步理解CRAFT的设计.     

Midori-64算法的截断不可能差分分析

分析了Midori-64算法在截断不可能差分攻击下的安全性.首先,通过分析Midori算法加、解密过程差分路径规律,证明了Midori算法在单密钥条件下的截断不可能差分区分器至多6轮,并对6轮截断不可能差分区分器进行了分类;其次,根据分类结果,构造了一个6轮区分器,并给出11轮Midori-64算法的不可能差分分析,恢复了128比特主密钥,其时间复杂度为2^121.4,数据复杂度为2^60.8,存储复杂度为2^96.5.     

GRANULE算法的不可能差分分析

GRANULE算法是一个超轻量分组密码算法,有着较好的软硬件实现性能,但目前尚没有该算法在不可能差分分析下的安全性评估结果。为此,利用中间相错技术,找到GRANULE64算法多条5轮不可能差分区分器,并基于得到的区分器,向上、下分别扩展3轮,给出对GRANULE64/80算法的11轮不可能差分分析。通过该算法可以恢复80-bit主密钥,时间复杂度为2~(73.3)次11轮GRANULE64算法加密,数据复杂度为2~(64)个选择明文。     

ARIA分组密码算法的不可能差分攻击

ARIA密码是2003年由韩国学者提出,并在2004年被选为韩国分组密码标准的新的分组密码算法.为了使用不可能差分方法对ARIA密码算法进行安全性分析,首先,根据ARIA密码的结构特征,构造一条4轮不可能差分路径,通过在不可能差分路径前面增加2轮、后面增加1轮的方式,对7轮ARIA密码算法进行不可能差分攻击.研究结果表明：7轮攻击共需要2\\+\\{119\\}选择明文和大约2\\+\\{218\\}次7轮加密运算.与已有结果相比较,该次攻击进一步降低了数据复杂度和时间复杂度.同时,在4轮不可能差分路径基础上,通过前面增加2轮、后面增加2轮的方式,首次提出了对ARIA密码算法的8轮不可能差分的新攻击.研究结果表明：8轮不可能差分攻击共需要2\\+\\{207\\}选择明文和大约2\\+\\{346\\}次8轮加密运算,已超过穷举搜索的攻击复杂度,故可认为在该路径下的8轮不可能差分攻击中ARIA密码算法是安全的.     

用不可能差分法分析12轮ESF算法

轻量级分组密码算法ESF是一种具有广义Feistel结构的32轮迭代型分组密码,轮函数具有SPN结构,分组长度为64比特,密钥长度为80比特。为了研究ESF算法抵抗不可能差分攻击的能力,基于一条8轮不可能差分路径,根据轮密钥之间的关系,通过向前增加2轮、向后增加2轮的方式,对12轮ESF算法进行了攻击。计算结果表明,攻击12轮ESF算法所需的数据复杂度为O(2⁵³),时间复杂度为O(260.43),由此说明12轮的ESF算法对不可能差分密码分析是不免疫的。     

SPECK算法的不可能差分分析

分析了SPECK2n(2n=64,96,128)算法在不可能差分分析下的安全性。首先利用模加法差分的扩散性质,找到了SPECK2n(2n=64,96,128)算法的7轮不可能差分区分器。其次,基于找到的7轮不可能差分区分器,给出了SPECK64/128算法和SPECK128/256算法的11轮不可能差分分析,以及SPECK 96/144算法的10轮不可能差分分析,恢复了全部主密钥。这是SPECK2n/4n(2n=64,96,128)算法的首个不可能差分分析结果。     

ESF算法的不可能差分密码分析

分析研究了分组密码算法ESF抵抗不可能差分的能力,使用8轮不可能差分路径,给出了相关攻击结果。基于一条8轮的不可能差分路径,根据轮密钥之间的关系,通过改变原有轮数扩展和密钥猜测的顺序,攻击了11轮的ESF,改善了关于11轮的ESF的不可能差分攻击的结果。计算结果表明:攻击11轮的ESF所需要的数据复杂度为O(2⁵³),时间复杂度为O(2³²),同时也说明了11轮的ESF对不可能差分是不免疫的。     

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。     

CLEFIA-128算法的不可能差分密码分析

研究13轮CLEFIA-128算法,在9轮不可能差分攻击的基础上,提出一种未使用白化密钥的不可能差分密码分析方法。猜测每个密钥,筛选满足轮函数中S盒输入输出差分对的数据对。利用轮密钥之间的关系减少密钥猜测量,并使用Early Abort技术降低计算复杂度。计算结果表明,该方法的数据复杂度和时间复杂度分别为2120和2125.5。     

低轮ARIA的不可能差分

不可能差分是对分组密码的一种有效攻击方法.它是寻找不可能出现的差分关系,并排除满足这种关系的密钥,最终恢复出秘密密钥.分析了韩国新型分组密码算法ARIA的不可能差分.首先分析了ARIA混淆层的特性,构造了ARIA的4轮不可能差分,选择225.5个明文对,使其密文异或具有低64b为零的形式,利用4轮不可能差分特性对5轮的ARIA进行了分析.选择230个明文对对6轮ARIA进行分析.     

对分组密码算法ARIA算法不可能差分分析的改进

依据ARIA的结构特性,基于Yu Sasaki和Yosuke Todo给出的4.5轮截断不可能差分路径,实现了对7轮ARIA-256的不可能差分分析,需要数据复杂度为2112和大约2217次7轮加密运算。与现有的研究成果对比,该分析在数据复杂度和时间复杂度上都有所减少。进一步研究8轮不可能差分分析,需要数据复杂度为2191和大约2319次8轮加密运算。虽然该结果超过了穷举搜索的攻击复杂度,但与已有的研究成果对比,减少了攻击复杂度。该方法改进了文献[12]的分析结果,降低了7轮攻击和8轮攻击的攻击复杂度。     

Piccolo算法的相关密钥-不可能差分攻击

现有的对于Piccolo算法的安全性分析结果中,除Biclique分析外,以低于穷举搜索的复杂度最长仅攻击至14轮Piccolo-80和18轮Piccolo-128算法.通过分析Piccolo算法密钥扩展的信息泄漏规律,结合算法等效结构,利用相关密钥-不可能差分分析方法,基于分割攻击思想,分别给出了15轮Piccolo-80和21轮Piccolo-128含前向白化密钥的攻击结果.当选择相关密钥量为2⁸时,攻击所需的数据复杂度分别为2^58.6和2^62.3,存储复杂度分别为2^60.6和2^64.3,计算复杂度分别为2⁷⁸和2^82.5;在选择相关密钥量为2⁴时,攻击所需的数据复杂度均为2^62.6和2^62.3,存储复杂度分别为2^64.6和2^64.3,计算复杂度分别为2^77.93和2^124.45.分析结果表明,仅含前向白化密钥的15轮Piccolo-80算法和21轮Piccolo-128算法在相关密钥-不可能差分攻击下是不安全的.     

CLEFIA算法的不可能差分密码分析

为研究分组密码CLEFIA抵抗不可能差分攻击的能力,使用了两类9轮不可能差分路径,给出了相关攻击结果。基于一条9轮不可能差分路径,利用轮函数中S盒差分分布表恢复密钥,攻击了11轮的CLEFIA。改进了关于14轮的CLEFIA-256的不可能差分攻击的结果,将数据复杂度降低到2104.23,时间复杂度降低到2221.5。同时,在两条不可能差分的基础上,根据轮密钥之间的关系,使用Early-abort技术和S盒差分分布表,分别给出12轮CLEFIA-128和13轮CLEFIA-128的不可能差分攻击。     

Mysterion算法的不可能差分分析

Mysterion算法是XLS设计策略的具体实例,该算法的主要目的是改进LS设计策略,在不影响实现效率的前提下提升LS设计策略的安全性.文章采用不可能差分分析方法对Mysterion算法进行安全性分析,首先证明了Mysterion算法的结构不可能差分轮数最长为4轮,然后利用S盒的信息,突破了Mysterion的结构不可...     

Crypton算法的不可能差分分析

Crypton算法是基于Square算法设计的SPN结构类密码算法,由于其具备良好的软硬件性能而引起了广泛的关注.对Crypton分组密码算法在不可能差分分析下的安全性进行了研究.通过分析Crypton算法扩散层的性质,指出了现有7轮Crypton算法不可能差分分析中存在的问题,结合快速排序、分割攻击与早夭技术对7轮Crypton算法的不可能差分分析进行了改进,降低了其数据复杂度与时间复杂度;同时,通过并行使用4条不可能差分区分器,结合密钥扩展算法的性质给出了7轮Crypton算法的多重不可能差分分析结果,恢复了算法的主密钥;最后,在7轮Crypton算法的不可能差分分析的基础上向后拓展1轮,给出了8轮Crypton-256算法的不可能差分分析,恢复了其主密钥,其数据复杂度为2\\+{103}个选择明文,时间复杂度为2\\+{214}次8轮Crypton加密,存储复杂度为2\\+{154.4} B.研究结果表明:结合算法的性质及多种技术给出了Crypton算法目前最优的不可能差分分析结果.     

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。