基于汉明重的PRESENT密码代数旁路攻击

研究了分组密码代数旁路攻击原理及模型、非线性布尔方程组转化为saT问题的方法,提出了一种基于汉明重的PRESENT密码代数旁路攻击方法,降低了求解非线性多元方程组的复杂度,减少了旁路攻击所需样本量,并通过实验对理论正确性进行了验证。结果表明,在已知明文条件下,利用一个样本前3轮的S盒输入、输出汉明重在0.63s内即可恢复80bit PRESENT完整密钥;在未知明密文和S盒输入、输出汉明重随机选取条件下,也可恢复PRESENT完整密钥。     

针对PRESENT分组密码算法的代数分析*

本文研究针对PRESENT分组密码的代数分析。通过使用S盒的表达式形式,构建出多轮PRESENT加密中的代数方程组。这种构建方程的方法被推广到具有小型S盒的典型SPN型分组密码算法的方程构建问题中。文中还对简化的PRESENT算法进行了攻击实验。采用MiniSAT作为攻击过程中的求解工具,对4轮、6轮PRESENT加密进行实际攻击。可以在一分钟之内恢复4轮加密的所有密钥,数小时内恢复6轮加密的密钥。并且通过引入了差分思想,首次将有效攻击轮数提高到8轮。     

基于碰撞模型的PRESENT密码代数旁路攻击

提出了一种新的分组密码通用的基于碰撞模型的分组密码代数旁路分析方法—代数功耗碰撞攻击,将代数攻击与功耗碰撞攻击结合,首先利用代数分析方法建立密码算法等效布尔代数方程组;然后通过功耗攻击手段获取密码加密过程运行时泄露的功耗信息,经分析转化为加密过程碰撞信息,并表示为关于加密中间状态变元的代数方程组;最后使用CryptoMiniSAT解析器求解方程组恢复密钥。应用该方法对在8位微控制器上实现的PRESENT密码进行了实际攻击,实验结果表明,代数攻击基础上引入额外的代数方程组,可有效降低方程组求解的复杂度;PRESENT易遭受此类代数功耗攻击的威胁,明密文已知,以4个样本全轮碰撞或8个样本部分轮碰撞信息成功获取PRESENT 80bit完整密钥。此外,文中分析方法也可为其它分组密码功耗碰撞分析提供一定思路。     

基于碰撞模型的LED代数旁路攻击

针对轻型分组密码LED提出了一种基于碰撞模型的代数旁路攻击。利用代数攻击方法建立密码算法等效布尔代数方程组,采集算法运行中泄露的功耗信息并转换为碰撞信息,并将碰撞信息转换成额外方程组,从而利用CryptoMiniSAT解析器求解密钥。实验结果表明:旁路碰撞信息可有效降低方程组求解的复杂度;已知明文条件下,利用2轮最少50%的随机碰撞信息,即可在158.5 s内恢复64 bit LED完整密钥。此外,该方法也可用于其他分组密码功耗碰撞分析。     

ITUbee密码代数旁路攻击

ITUbee是在2013年第二届轻量级加密安全与隐私国际研讨会上提出的轻量级密码算法,对ITUbee密码进行安全分析有着积极意义。研究了ITUbee的代数旁路攻击方法,首先构建ITUbee密码S盒的等价代数方程组;由于构造的方程组不易解,通过采集ITUbee算法的加密功耗泄露,对加密中间状态字节的汉明重进行推断,并将其转化为与密码算法联立的布尔方程组,再利用cryptominisat解析器来求解密钥。实验结果表明,按此思路构造的ITUbee攻击方法所需样本少;在已知明文和未知明密文的场景下,1次ITUbee加密、部分轮汉明重泄露的情况下可成功恢复全部初始密钥。     

基于汉明重的SMS4密码代数旁路攻击研究

基于汉明重泄露模型,对SMS4算法抗代数旁路攻击能力进行了评估.首先构建SMS4算法等价布尔代数方程组,然后采集SMS4加密功耗泄露,基于模板分析对加密中间状态字节的汉明重进行推断,并转化为与密码算法联立的代数方程组,最后利用解析器进行密钥求解.结果表明:SMS4密码易遭受代数旁路攻击;已知明文条件下,2个样本4轮连续汉明重泄露或26轮离散汉明重泄露可恢复128bit SMS4主密钥;未知明密文条件下,2个样本连续5轮汉明重泄露可恢复128bit SMS4主密钥;使用随机掩码防御的SMS4实现仍不能有效防御代数旁路攻击,已知明文条件下,2个样本连续14轮汉明重泄露可恢复128bit SMS4主密钥.为提高攻击实用性,提出了一种容错代数旁路攻击方法,结果表明汉明重推断错误率不超过60％的情况下,2个样本可恢复128bit SMS4主密钥.本文方法对其它分组密码代数旁路攻击研究具有一定的借鉴意义.     

轻量级分组密码SIMON代数故障攻击

针对SIMON现有故障攻击中存在的故障深度小、手工推导复杂等问题,给出一种代数故障攻击（AFA）方法。首先给出SIMON核心运算‘&’代数表示方法并构建全轮正确加密代数方程组;其次注入故障并将故障信息表示为代数方程,提供故障已知和故障未知两种模型,给出两种模型故障表示方法;最后利用CryptoMinisat-2.9.6解析器求解方程组恢复密钥。实验结果表明：利用单比特故障对SIMON32/64进行攻击,故障位置选取第26轮,故障已知和未知模型仅需5个和6个故障即可恢复全轮密钥;利用n比特宽度故障对SIMON128/128进行攻击,故障位置选取第65轮,两种模型均只需2个故障即可恢复全轮密钥。此外,对比故障已知和未知模型发现,随故障数递增密钥求解时间的决定因素将由故障信息量变为方程组计算量。     

对流密码LILI-128的差分故障攻击

对LILI-128算法对差分故障攻击的安全性进行了研究。攻击采用面向比特的故障模型, 并结合差分分析和代数分析技术, 在 LILI-128 算法LFSRd中注入随机的单比特故障, 得到关于LILI-128算法内部状态的代数方程组, 并使用Crypto MiniSAT解析器求解恢复128位初始密钥。实验结果表明, 280个单比特故障注入就可以在1 min内完全恢复LILI-128全部128位密钥。因此, LILI-128密码实现安全性易遭差分故障攻击威胁, 需要对加密设备进行故障攻击防御, 以提高LILI-128密码实现安全性。     

LBlock 中间状态的代数表示及其侧信道攻击

LBlock是吴文玲和张蕾在ACNS2011上提出的轻量级分组密码,目前未见对该体制的公开的密码分析文章。用符号计算软件Mathematica7.0得到了LBlock第三轮输出的最低比特的代数表达式(以明文和主密钥比特为自变量)。该代数表达式只与8比特密钥和9比特明文有关,可以用于对LBlock在单比特泄露模型下的侧信道攻击。模拟实验表明,假设第三轮输出的最低比特泄露,则用8个已知明文,85%的概率下可以恢复6~7比特密钥。     

SIMECK密码代数故障攻击研究

针对SIMECK密码给出一种代数故障攻击方法。首先给出SIMECK加密轮函数和密钥生成策略等效代数方程创建方法;分别设定故障已知模型和故障未知模型,并在故障未知模型下提出基于故障注入差分和基于正确/故障密文差分确定故障索引值两种策略创建故障信息方程;利用基于SAT问题求解方程组。结果表明,在SIMECK32/64第24轮注入单比特翻转故障,故障已知模型和基于故障注入差分的故障未知模型均仅需2次注入即可恢复完整64比特主密钥;在第27轮注入故障,基于密文差分的未知模型需9次注入可恢复完整主密钥。与已有研究相比,该攻击密钥搜索复杂度更低,所需故障注入样本量更少。     

AES S盒的分析及改进方案设计

研究了AES S盒的构造原理和主要代数性质,指出了AES S盒的仿射变换对周期为4,迭代输出周期不大于88,严格雪崩准则距离为432,代数表达式只有9项等。基于这些不足提出了构造S盒的改进方案。改进S盒的仿射变换对周期为16,迭代输出周期为256,而且S盒和逆S盒代数表达式项数均达到254项。将改进S盒与AES的S盒在平衡性、严格雪崩准则、非线性度、抗代数攻击阻力等10种代数性质上进行比较,实验结果表明改进S盒具有更好的性质。     

11轮3D分组密码算法的中间相遇攻击

针对3D分组密码算法的安全性分析,对该算法抵抗中间相遇攻击的能力进行了评估。基于3D算法的基本结构及S盒的差分性质,减少了在构造多重集时所需的猜测字节数,从而构建了新的6轮3D算法中间相遇区分器。然后,将区分器向前扩展2轮,向后扩展3轮,得到11轮3D算法中间相遇攻击。实验结果表明:构建区分器时所需猜测的字节数为42 B,攻击时所需的数据复杂度约为2⁴⁹⁷个选择明文,时间复杂度约为2^325.3次11轮3D算法加密,存储复杂度约为2³⁴² B。新攻击表明11轮3D算法对中间相遇攻击是不免疫的。     

基于差分表的Blow-CAST-Fish算法的密钥恢复攻击

针对Blow-CAST-Fish算法攻击轮数有限和复杂度高等问题,提出一种基于差分表的Blow-CAST-Fish算法的密钥恢复攻击。首先,对S盒的碰撞性进行分析,分别基于两个S盒和单个S盒的碰撞,构造6轮和12轮差分特征;然后,计算轮函数f₃的差分表,并在特定差分特征的基础上扩充3轮,从而确定密文差分与f₃的输入、输出差分的关系;最后,选取符合条件的明文进行加密,根据密文差分计算f₃的输入、输出差分值,并查寻差分表找到对应的输入、输出对,从而获取子密钥。在两个S盒碰撞的情况下,所提攻击实现了9轮Blow-CAST-Fish算法的差分攻击,比对比攻击多1轮,时间复杂度由2^107.9降低到2⁷⁴;而在单个S盒碰撞的情况下,所提攻击实现了15轮Blow-CAST-Fish算法的差分攻击,与对比攻击相比,虽然攻击轮数减少了1轮,但弱密钥比例由{\mathrm{2}}^{-\mathrm{52.4}}提高到{\mathrm{2}}^{-\mathrm{42}},数据复杂度由2⁵⁴降低到2⁴⁷。测试结果表明,在相同差分特征基础上,基于差分表的攻击的攻击效率更高。     

基于GPU的密码S盒代数性质评估方法

密码S盒即黑盒,作为对称密码算法中的非线性部件,其代数性质往往决定着密码算法的安全性能。差分均匀度、非线性度及透明阶作为衡量密码S盒安全性质的三个基本指标,分别刻画了S盒抵御差分密码分析、线性密码分析及差分功耗攻击的能力。当密码S盒输入尺寸较大（如S盒输入长度大于15比特）时在中央处理器（CPU）中的求解所需时间仍过长,甚至求解不可行。如何针对大尺寸输入密码S盒的代数性质进行快速评估是目前业界的研究热点。基于图形处理器（GPU）提出一种快速评估密码S盒代数性质的方法。该方法利用切片技术将内核函数拆分至多线程,并结合求解差分均匀度、非线性度及透明阶的特征提出优化方案,从而实现并行计算。测试结果表明,与基于CPU的实现环境相比,基于单块GPU的环境下的实现效率得到了显著的提升。具体来说,计算差分均匀度、非线性度及透明阶所花时间分别节省了90.28%、78.57%、60%,验证了该方法的有效性。     

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.     

轻量级分组密码算法DoT的模板攻击

模板攻击是一种重要的侧信道分析方法,其在实际密码算法破译中具有较强的区分能力。轻量级分组密码算法DoT在硬件和软件实现中都表现出优秀的性能,尽管目前针对DoT算法的传统数学攻击已经取得了一定效果,但是该算法在具体实现中是否足以抵御侧信道攻击仍有待研究。基于DoT算法结构及其S盒特点,提出一种针对DoT算法的模板攻击方法。基于汉明重量模型来刻画加密算法运行时的能耗特征,将S盒输出值的具体分布作为中间状态值构造区分器,从而进行密钥恢复。测试结果表明,该模板攻击仅需6组明文就可恢复出8 bit密钥信息,DoT密码算法在该模板攻击下具有脆弱性。