基于最优区分器的多差分密码分析方法

如何利用多个差分特征对分组密码算法进行差分攻击,从而精确地估计出分组密码算法抵抗差分攻击的能力,是一个重要的研究课题.文中基于最优区分器的思想,提出了一种多差分密码分析方法.针对每个实验密钥,构造出基于多个差分特征的统计量,根据统计量的大小判决实验密钥是否为正确密钥.给出了多差分分析方法的计算复杂度,分析了正确密钥、错误密钥对应统计量的概率分布规律,并在此基础上给出了多差分分析方法的成功率和数据复杂度之间的关系.通过具体实例表明,在成功率相同的条件下,基于的差分特征越多,需要的数据复杂度越小.     

SMS4算法的不可能差分攻击研究

为研究分组加密算法SMS4抵抗不可能差分攻击的能力,使用了14轮不可能差分路径,给出了相关攻击结果。基于1条14轮不可能差分路径,对16轮和18轮的SMS4算法进行了攻击,改进了关于17轮的SMS4的不可能差分攻击的结果,将数据复杂度降低到O(269.47)。计算结果表明:攻击16轮SMS4算法所需的数据复杂度为O(2¹⁰³),时间复杂度为O(2⁹²);攻击18轮的SMS4算法所需的数据复杂度为O(2¹⁰⁴),时间复杂度为O(2123.84)。     

演化密码对抗多重线性密码分析能力的研究

演化密码是我国学者提出的一种新型密码.文中对演化密码对抗多重线性密码分析的能力进行研究,研究表明演化密码对抗多重线性攻击方面的能力高于普通固定算法密码.文中介绍了基于对数似然比(LLR)统计方法的两种多重线性密码分析方法,这两种方法利用多个线性逼近式分别扩展了Matsui最初提出的线性攻击算法1和算法2.在考察这两种算法的数据复杂度N、比特优势a,以及预期成功率PS三者关系的基础上,证明了在比特优势和预期成功率相同的条件下,攻击演化密码的数据复杂度大于攻击固定算法密码的数据复杂度,并论述了在数据复杂度N相同的情况下,攻击演化密码的时间复杂度和空间复杂度都明显高于攻击固定算法密码的情形.这表明演化密码在对抗多重线性攻击方面的安全性高于固定算法密码.     

5轮Salsa20的代数-截断差分攻击

Salsa20 流密码算法是Estream 最终胜出的7 个算法之一.结合非线性方程的求解及Salsa20 的两个3 轮高概率差分传递链,对5 轮Salsa20 算法进行了代数-截断差分攻击.计算复杂度不大于O(2¹⁰⁵),数据复杂度为O(2¹¹),存储复杂度为O(2¹¹),成功率为97.72%.到目前为止,该攻击结果是对5 轮Salsa20 算法攻击最好的结果.     

SAFER++的差分分析

SAFER++是欧洲信息工程的参选算法,并且是进入第2轮的7个候选算法之一。算法的设计者称5轮SAFER++算法可以抵抗差分分析。本文利用异或差分与模减差分串连得到3.75轮的高概率特征,对4轮SAFER++进行选择明文攻击。攻击过程的计算复杂度约为298.2次加密运算,数据复杂度是296,可以恢复出12字节的密钥。而且如果存在4轮特征(设计者称已经通过搜索的方法找到),可以利用本文提出的方法得到更高轮数的特征,用于攻击5轮以上的SAFER++算法。     

对SMS4密码算法改进的差分攻击

差分分析和线性分析是重要的密码算法分析工具.多年来,很多研究者致力于改善这两种攻击方法.Achiya Bar-On等人提出了一种方法,能够使攻击者对部分状态参与非线性变换的SPN结构的密码算法进行更多轮数的差分分析和线性分析.这种方法使用了两个辅助矩阵,其目的就是更多地利用密码算法中线性层的约束,从而能攻击更多轮数.将这种方法应用到中国密码算法SMS4的多差分攻击中,获得了一个比现有攻击存储复杂度更低和数据复杂度更少的攻击结果.在成功概率为0.9时,实施23轮的SMS4密钥恢复攻击需要2^113.5个明文,时间复杂度为2^126.7轮等价的23轮加密.这是目前为止存储复杂度最低的攻击,存储复杂度为2¹⁷个字节.     

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。     

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。     

轻量级分组密码MIBS-80算法的Biclique分析

提出了针对轻量级分组密码算法 MIBS-80 的 Biclique 分析.利用两条独立的相关密钥差分路径,构造了4轮维度为4 的 Biclique 结构,在此基础上对密钥空间进行了划分,结合预计算技术,对每一个密钥子空间进行筛选以降低中间相遇攻击所需的计算复杂度,实施了对12 轮 MIBS-80 的密钥恢复攻击.攻击的数据复杂度为2⁵²个选择明文,计算复杂度约为2^77.13次12 轮 MIBS-80 加密,存储复杂度约为2^8.17,成功实施攻击的概率为1.与已有攻击方法相比,在存储复杂度及成功率方面具有优势.     

8轮PRINCE的快速密钥恢复攻击

PRINCE算法是J.Borghoff等在2012年亚密会上提出的一个轻量级分组密码算法,它模仿AES并采用α-反射结构设计,具有加解密相似的特点.2014年,设计者发起了针对PRINCE实际攻击的公开挑战,使得该算法的安全性成为研究的热点.目前对PRINCE攻击的最长轮数是10轮,其中P.Derbez等利用中间相遇技术攻击的数据和时间复杂度的乘积D×T=2¹²⁵,A.Canteaut等利用多重差分技术攻击的复杂度D×T=2^118.5,并且两种方法的时间复杂度都超过了257.本文将A.Canteaut等给出的多重差分技术稍作改变,通过考虑输入差分为固定值,输出差分为选定的集合,给出了目前轮数最长的7轮PRINCE区分器,并应用该区分器对8轮PRINCE进行了密钥恢复攻击.本文的7轮PRINCE差分区分器的概率为2^-56.89,8轮PRINCE的密钥恢复攻击所需的数据复杂度为2^61.89个选择明文,时间复杂度为219.68次8轮加密,存储复杂度为2^15.21个16比特计数器.相比目前已知的8轮PRINCE密钥恢复攻击的结果,包括将A.Canteaut等给出的10轮攻击方案减少到8轮,本文给出的攻击方案的时间复杂度和D×T复杂度都是最低的.     

KeeLoq密码第1种滑动-代数攻击的改进

证明对KeeLoq密码的第1种滑动一代数攻击算法的成功率仅为2^-64,针对该问题,分析滑动对个数与成功率的关系,提出改进算法,将用于建立代数方程组的滑动对减少为2个,使改进算法的成功率提高至0．632,并将计算复杂性由原来的2^78。个CPU时钟降为2^73个CPU时钟。     

SHA-1差分路径搜索算法和连接策略研究

Hash函数SHA-1的攻击技术研究一直受到密码分析者的广泛关注,其中,差分路径构造是影响攻击复杂度大小的重要环节.提出了带比特条件的全轮差分路径构造方法,统一了第1轮差分路径构造和后3轮的差分路径构造.该方法既与原有第1轮路径构造相容,又能省去后3轮路径约简、消息约简等繁琐技术环节,具有良好的兼容性.此外,综合考虑状态差分、布尔函数差分与比特条件之间的制约关系,提出了带比特条件的前向扩展、后向扩展和中间连接这3个子算法,并提出3个指标——比特条件的更新次数、扩展结果的相容性和候选集合的正确率对中间连接的成功率进行评价,结合提前终止策略,提出了最优的中间连接算法.理论分析结果表明,该方法有助于提高SHA-1差分路径构造的成功率.最后,采用该算法进行路径搜索,可以得到正确的可用于碰撞搜索的差分路径.     

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。     

第一寄存器小Qubit量子计算攻击RSA研究

提出了针对RSA的小Qubit量子攻击算法设计,量子攻击的第一量子寄存器所需的Qubit数目由原先至少2L降低到L1,总体空间复杂度记为(L1,L),其中2L1≥r,r为分解所得周期。由于第一寄存器量子比特数的减少,降低了算法复杂度和成功率,且改进原算法中模幂计算,提升运算速率。改进攻击算法的量子电路的时间复杂度为T=O(2L2)。在时间复杂度和空间复杂度上都有明显的进步。改进算法的成功率降低了,但实际成功求解时间,即每次分解时间/成功率,依然低于 Shor 算法目前的主要改进算法。完成了仿真模拟实验,分别用11、10、9 Qubit成功分解119的量子电路。     

Q的线性密码分析

对NESSIE公布的17个分组密码之一的Q进行了线性密码分析，攻击所需的数据复杂不大于2^118(相应的成功率为0．785），空间复杂度不大于2^33 2^19 2^18 2^12 2^11 2^10。此结果显示Q对线性密码分析是不免疫的。     

CLEFIA-128/192/256的不可能差分分析

对分组密码算法CLEFIA进行不可能差分分析.CLEFIA算法是索尼公司在2007年快速软件加密大会(FSE)上提出来的.结合新发现和新技巧,可有效过滤错误密钥,从而将算法设计者在评估报告中给出的对11圈CLEFIA-192/256的攻击扩展到11圈CLEFIA-128/192/256,复杂度为2103.1次加密和2103.1个明文.通过对明文附加更多限制条件,给出对12圈CLEFIA-128/192/256的攻击,复杂度为2119.1次加密和2119.1个明文.而且,引入一种新的生日筛法以降低预计算的时间复杂度.此外,指出并改正了Tsunoo等人对12圈CLEFIA的攻击中复杂度计算方面的错误.     

高阶差分视角下的积分攻击

积分攻击和高阶差分攻击是分组密码的两种重要分析技术.尽管两者的理论基础并不相同,但是它们的攻击过程却十分相似.该文从高阶差分分析的视角来解释AES和Rijndael-256的积分区分器,证明高阶差分分析对此类算法同样有很强的分析能力.此外,改进了Rijndael-256的3轮区分器的数据复杂度.最后,给出了SPONGENT杂凑函数中间置换的14轮零和区分器.     

故障模型下MORUS算法的差分扩散性质研究

MORUS算法是由H.Wu等人设计的一类认证加密算法,目前已顺利进入CAESAR竞赛第3轮竞选.研究MORUS算法故障模型下的差分扩散性质.采用面向比特的随机故障模型,结合差分分析技术与中间相遇思想,改进了针对MORUS算法的差分链搜索算法.运用该算法找到了5步概率为2^-85的差分链,从而实现了对初始化过程5步的简化版MORUS-640-128算法的差分-区分攻击,攻击所需的数据量和区分优势分别为2⁸⁹和0.99965.最后,利用差分故障分析方法对认证过程3步的简化版MORUS-640-128算法进行了伪造攻击.     

针对9轮DES的相关密钥Boomerang攻击

按照DES的密钥编排特点,舍弃原始密钥的奇偶校验位,由剩下56位重新换位得到16轮的子密钥,并由每轮密钥使用顺序及未出现的位数,适当设置明文差分和密钥差分,得到5轮DES的差分路径。运用相关密钥差分分析方法分析5轮DES,从而得到9轮DES的相关密钥Boomerang攻击方法,该攻击时间复杂度约为231次加解密运算,数据复杂度为240。     

不可能差分攻击中的明文对筛选方法

基于快速排序原理,提出用于筛选明文对的基本算法和改进算法,改进算法的计算复杂性可以将由直接检测方法的O(n2)降为O(nlogn)。基于上述结果以改进算法分析对ARIA等分组密码算法的几个不可能攻击的计算复杂性,证明ICISA2008上发表的某个针对对ARIA的不可能攻击的数据筛选过程的计算复杂性远高于密钥求解过程的计算复杂性。