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...     

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。     

量子计算与量子密码的原理及研究进展综述

量子计算与量子密码是基于量子效应的计算技术和密码技术.1984年Bennett和Brassard提出了第一个量子密钥分发协议,开启了量子密码学的研究,此后相继在量子加密、量子签名等领域进行了大量研究.1994年,Shor利用量子Fourier变换,设计了第一个实用的量子算法,在多项式时间内对大整数进行因子分解.1996年,Grover提出了量子搜索算法,能够对无结构数据进行二次加速.Shor算法和Grover算法的提出不仅体现了量子计算的优越性,还对传统基于数学困难问题的密码学体制造成威胁.经过半个世纪的发展,量子计算与量子密码在理论与实践的研究上都取得了丰硕的成果.从量子力学的数学框架、基本概念和原理、量子计算基本思想、量子密码研究进展及主要思想等方面进行总结梳理.     

抗量子可信计算安全支撑平台技术

随着科技的发展,量子计算机大规模部署逐渐变为可能,基于部分计算困难问题的公钥密码算法将被量子算法有效求解.传统的可信硬件芯片如TCM/TPM等由于广泛使用了RSA、SM3、ECC等公钥密码体制,其安全性将受到严重影响;而绝大部分具有抗量子能力的密码算法并不适配现有TCM/TPM芯片有限的计算能力,因此需要对抗量子可信计...     

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,...     

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...     

椭圆曲线同源的有效计算研究进展

由于Shor算法可以在多项式时间内解决大整数分解以及离散对数问题,使得基于这些问题设计的经典的密码体制不再安全.目前涌现出许多后量子密码体制的研究,如基于格、基于编码、基于多变量和基于椭圆曲线同源的密码系统.相比于其他后量子密码体制,基于椭圆曲线同源的密码系统具有密钥尺寸短的优势,然而其实现效率不占优势.以两类基于超奇...     

后量子密码迁移趋势下应用于区块链的公钥密码安全

自从发现量子算法能够高效求解现今公钥密码依赖的数学困难问题,能够抵抗量子计算攻击的后量子密码算法成为研究热点,国际上对后量子密码算法的标准化工作也已相继启动.现有信息系统为保证自身安全,势必需要迁移至新一代抗量子公钥加密算法,迁移过程存在巨大的挑战与机遇.对迁移过程的研究已在美国、欧盟等国家和地区广泛推动开展、成为趋势.区块链的安全性依赖于现代密码学,特别是公钥签名技术,因此这一迁移也是区块链长效安全的必经之路.本文介绍了后量子密码迁移策略,讨论了现有区块链所应用的公钥密码如何向后量子密码进行迁移,提出下一步研究方向.     

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。     

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.     

基于Polar码改进的McEliece密码体制

随着量子计算机对计算能力的提高,RSA和椭圆曲线密码等经典密码方案在量子计算机时代已经不再安全,基于编码的密码方案具有抵抗量子计算的优势,在未来具有良好的应用前景。文章研究极化码的极化性质,改进密钥存储方法,提出了基于Polar码改进的McEliece密码体制。改进后的编码加密方案不再存储整个矩阵,而是存储冻结比特对应的矩阵,其密钥大小比原始密码方案减少约63.36%。采用连续消除(SC)译码算法,译码复杂度较低,并通过实验证明了提出的密码方案达到140bit的安全级别,可以抵抗目前已知存在的各种攻击。最后,文章进一步阐述了基于Polar码的密码方案未来的发展方向,拓宽了极化码在编码密码方案中的应用。     

基于编码的抗量子广义签密方案

随着量子计算机的发展以及网络环境的日益复杂,传统的公钥密码为目前的通信环境所提供的安全保障面临着越来越大的威胁,抗量子密码能够有效抵抗量子计算机攻击而受到广泛关注.抗量子密码中的编码密码具有加解密简单、易于操作的特点而成为后量子时代优良的密码方案候选者之一.通过对编码密码进行研究,利用LEDAkem密钥封装机制中对信息进行加密的方法与CFS签名方案相结合,提出了一种基于QC-LDPC码的广义签密方案.新方案可以实现在签名、加密以及签密方案三者之间的自适应转换,由于采用的是LEDAkem的加密方法以及QC-LDPC码,新方案在密钥量方面具有一定优势.通过安全性分析证明新方案满足IND-CPA安全以及EUF-CMA安全,并进一步给出方案转换为IND-CCA2安全的方法,新方案能够适应越发复杂的网络通信,为后量子时代的网络环境提供可靠的安全保障.     

从演化密码到量子人工智能密码综述

如何采用人工智能设计出高强度密码和使密码设计自动化是人们长期追求的目标.中国学者将密码学与演化计算结合,借鉴生物进化的思想独立提出演化密码的概念和用演化计算设计密码的方法,得到可变渐强的密码,减少攻击所需搜索空间的量级.国内外研究表明:演化密码已经在对称密码、非对称密码领域、侧信道攻击以及后量子密码等领域均取得了实际成果：可在1min内设计出一百多个好S盒(8×8),其中一些密码学指标达到最佳值;对于典型的后量子密码NTRU密码体制,演化密码攻击有望降低密钥搜索空间2～3个数量级;部分ECC安全曲线产生基域范围超过NIST现已公布的曲线;并在NIST现已公布的曲线范围内又发现了新的曲线.演化密码已具备人工智能密码的一些特征,进一步结合量子人工智能,不仅取得了目前国际上量子计算破译RSA最好实验指标,超过了最新IBM Q系统,如果运行Shor算法的理论最大值,也超过了洛克希德马丁公司采用量子退火破译RSA的最大规模;提出了量子计算机设计密码的原创性理论成果,完成了国际上首次D-Wave 2000Q真实量子计算机密码设计,有望快速产生一系列亚优解,达到一次一密码算法的作用,增强密码系统安全性.     

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。     

基于改进版Niederreiter的双公钥密码方案

基于编码的密码体制可以有效地抵抗量子计算攻击，具有较好的可操作性以及数据压缩能力，是后量子时代密码方案的可靠候选者之一。针对量子时代中计算机数据的安全保密问题，对编码密码中的Niederreiter密码方案改进版进行深入研究，提出了一种与双公钥加密方式相结合的密码方案。所提方案的安全性相比Niederreiter方案改进版以及基于准循环低密度奇偶校验码（QC-LDPC）的Niederreiter双公钥加密方案得到提升，在密钥量方面相比传统Niederreiter密码方案的公钥量至少下降了32%，相比基于QC-LDPC码的Niederreiter双公钥加密方案也有效下降，在量子时代保证计算机数据安全表现出较强的可靠性。     

基于低密度生成矩阵码的签密方案

基于编码的密码系统具备抵抗量子计算的天然优势。针对传统的基于Goppa码构造的密码方案存在密文扩展率大和密钥量大的问题,利用低密度生成矩阵 （LDGM） 码和哈希函数构造了一个可证明安全的签密方案。LDGM码的生成矩阵是稀疏的,能有效减小数据量,哈希函数计算效率很高。方案满足随机预言机下的适应性选择密文攻击下的不可区分性（IND-CCA2）和选择消息攻击下存在性不可伪造（EUF-CMA）安全。在保证数据机密性和完整性的同时,与传统的先签名后加密的方法相比,输出密文总量减少了25%;与“一石二鸟”和SCS签密方案相比,计算效率有较大提高。     

基于QC-LDPC码的双公钥Niederreiter密码方案*

基于编码的公钥密码体制作为抗量子攻击密码理论的重要研究内容,具有加解密复杂性低和安全性高的优异特性。针对Niederreiter公钥密码体制进行了研究,利用QC-LDPC码和双公钥的相关知识构造了一种新的Niederreiter加密方案。安全性分析表明,加密方案能抵抗常见攻击方法的同时满足随机预言机模型下的IND-CCA2安全。最后对方案的性能进行分析,较原有Niederreiter密码的公钥量减少63%和信息率提高47%的结论。