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。     

AES布尔函数Walsh谱分析

高级加密标准算法Rijndael的设计初衷是抵抗差分攻击并口线性攻击等现有攻击。本文从另一个角度--布尔函数出发，利用Walsh谱理论，分析AES的S盒的线性性、非线性性、严格雪崩特性、扩散特性并口相关免疫性等密码性质，从理论上揭示AES的S盒的安全性。     

基于遗传算法的快速可重构S盒硬件设计

传统S盒硬件结构只对应一种密码算法,密码硬件的灵活性和安全性差．本文通过分析大部分分组密码的特点,设计了一种可在相同硬件上重构实现44和64规格S盒的新电路结构．为了提高S盒硬件对不同密码算法的适应性,采用了硬件复用技术,且所设计的可重构S盒具有较快的重构速度和较好的扩展性;为了提高S盒的安全性,采用遗传算法对可重构S盒电路进行优化设计．在构造遗传算法的适应度函数时,重点考虑了影响S盒安全性的非线性度和差分均匀度．以44的S盒设计为例进行了实验,实验结果验证了可重构S盒的灵活性和安全性,证明了可重构S盒电路结构及优化设计方法的正确性．     

轻量级分组密码LED的相关密钥差分分析

在CHES2011国际会议上,轻量级分组密码算法LED被郭等人提出,该密码算法具有硬件实现规模小,加解密速度快等优点,因而备受业界关注。目前设计者给出了单密钥攻击模型下LED算法活跃S盒个数的下界,以评估其抵御经典差分密码分析的能力。然而,相关密钥攻击模型下LED算法抵御差分密码分析的能力仍有待进一步解决。本文基于LED密码算法的结构及密钥编排特点,结合面向字节的自动化搜索方法,构建了适用于相关密钥差分分析的混合整形规划（MILP）搜索模型。研究结果表明：全轮LED-64至少存在100个活跃S盒,全轮LED-128至少存在150个活跃S盒;15轮简化LED算法足以抵抗相关密钥差分分析。此外,针对多种变体的LED密钥编排方法进行了测试,找到了一些新的密钥编排方案,并使LED算法具有最佳能力抵御相关密钥差分分析。     

一种改善双射S盒非线性度的方法

S盒是分组密码中重要的非线性部件,S盒的密码性质直接影响了密码算法的安全性,一个好的S盒要求有较高的非线性度。William Millan曾给出一个能改善双射S盒非线性度的Hill Climbing算法,它通过交换S盒的两个输出向量来提高S盒的非线性度直到非线性度达到一个局部最优值,本文在此基础上研究了如何同时改变S盒的四个输出向量的位置来更大程度的提高S盒的非线性度。     

适于软硬件实现的安全轻量S盒的设计

随着物联网的发展,轻量级分组密码算法的设计显得尤为重要。S盒是对称密码算法的关键部件。许多加密算法的硬件实现过程易受侧信道攻击,门限实现是一种基于秘密共享和多方计算的侧信道攻击对策。通过简单地对三次布尔函数中的变量进行循环移位,构建密码性质最优的4×4安全轻量S盒,并且为所构造的S盒设计了门限实现方案来抵御侧信道攻击,该方案是可证安全的。该方法构造的S盒的四个分量函数的实现电路相同,极大地降低了硬件实现的复杂度。给定S盒的一个分量,其余的三个分量可通过该分量的循环移位获得,这样大大降低硬件实现成本,易于快速软件实现。     

一种改善双射S盒密码特性的有效算法

S盒是许多密码算法中的惟一非线性部件，它的密码强度决定了整个密码算法的安全强度．利用基因算法可以构造出密码特性良好的S盒，实践证明，若能在基因算法的中间过程对子S盒的密码特性作局部优化，将会使算法更加有效．William Millan曾给出一个改善双射S盒的非线性度的算法．而差分均匀性也是衡量S盒密码特性的一个重要指标，研究了如何利用差分矩阵来改善差分均匀性，并给出了一个实用的算法，它能同时改善一个随机选取的双射S盒的非线性度和差分均匀性．     

S盒抗DPA能力与非线性度的关系

S盒作为高级加密标准(AES)中的唯一非线性部件,是影响算法性能的重要因素之一,在研究其性质的基础上,将透明阶作为衡量密码系统抗差分功耗分析(DPA)能力的一个指标,推导出高非线性函数透明阶的下界计算公式。实验结果表明,该算法是有效的,在类似AES的分组密码中,S盒非线性度与密码抗DPA能力成反比关系。     

密码组件安全指标测试工具设计与实现

对称密码是信息系统中数据保密的核心技术，而非线性S盒通常是其中的关键密码组件，广泛用于分组密码、序列密码和MAC(Message Authentication Code)算法等设计。为了保障密码算法设计的安全性，首先，研究了差分均匀度、非线性度、不动点数、代数次数与项数、代数免疫度、雪崩特性、扩散特性的指标测试方法；其次，通过可视化窗口设计输出S盒的各个安全指标结果，并以弹窗形式给出对应安全指标的细节描述；再次，重点设计了S盒非线性度和代数免疫度的子模块，并对应非线性度简化了线性分布表，且基于定理对代数免疫度计算过程进行了优化和举例说明；最后，实现了S盒的测试工具，并给出了7种安全指标测试和案例演示。所提测试工具主要应用于对称密码算法的非线性组件S盒安全指标的测试，进而为算法整体提供安全保障。     

轻量级分组密码GIFT的一种白盒实现方案

白盒实现是将已知的密码算法通过白盒密码技术进行设计,使其在白盒攻击环境中具有与原算法相同的功能,同时保证该算法的安全性不会遭到破坏。文章提出一种轻量级分组密码GIFT的白盒实现方案,该方案主要思想是使用查找表表示密码算法每轮的输入输出,并使用不同大小的仿射函数编码查找表的输入输出。该方案需要13.92 MB的内存空间,并能抵抗BGE攻击、MGH攻击、仿射等价算法攻击和差分矩阵攻击等代数分析攻击。其中,仿射等价算法攻击的复杂度大于O(2^82)。     

4 bit S盒输入及输出低次代数关系分析

随着4 bit S盒在轻量级密码算法中的广泛应用,如何捕获这些4 bit S盒输入及输出的代数关系成为了目前的研究热点之一。根据S盒的输入及输出关系,提出了◢n◣ bit S盒的非线性回路代数关系的通用求解算法。针对4 bit S盒设计了高效的非线性回路代数关系求解算法,并对国际公认的16类最优4 bit S盒及多个著名的轻量级密码算法中的S盒进行了测试分析。同时,还对上述轻量级密码算法中S盒所属等价类进行了检测。研究结果表明：16类S盒代表元中只有3类不存在二次回路代数关系;同属等价类S盒可能会有不同的二次回路代数关系;MANTIS、PRIDE、Marvin等轻量级算法的S盒存在多个二次回路代数关系。即这些包含低次回路代数关系的S盒存在潜在的安全缺陷。     

满足若干密码学性质的S-盒的构造

S-盒是许多密码算法的唯一非线性部件,它的密码强度决定了整个密码算法的安全强度.但 是对于大的S-盒的构造比较困难,而且软硬件实现也比较难,目前比较流行的是8×8的S-盒 .基于m-序列,提出一种构造8×8与8×6的S-盒的方法,通过测试法从中选出了一批非线性 性质与差分均匀性都比较好的S-盒.同时,基于正形置换构造了一批4×4的S-盒.这些S-盒 对进一步设计密码算法提供了非线性资源.     

基于混沌系统的S盒生成算法的研究*

S盒是分组密码算法中唯一的非线性部件,设计一个性能良好的S盒具有重要的实际意义。本文提出了一种新的S盒构造方法,算法中利用两个混沌系统进行迭代,操作简单却大大增加了置乱效果。文中分析了S盒的密码学性能,包括双射特性,非线性度,严格雪崩准则,输出比特间独立性,差分概率和线性概率,最后在我们提出的S盒的Lyapunov指数定义的基础上,计算了本文构造的S盒的Lyapunov指数,结果表明该方法生成的S盒具有良好的密码学性质。     

一类分组密码的S盒重组算法

S盒是许多分组密码唯一的非线性部件,它的密码强度决定了整个密码算法的安全强度.足够大的S盒是安全的,但为了便于实现,分组密码多采用若干小S盒拼凑.针对一类分组密码算法,通过将S盒与密钥相关联,给出了S盒重组算法,丰富了S盒的应用模式,有效提高了分组密码的安全强度.     

The provable constructive effect of diffusion switching mechanism in CLEFIA-type block ciphers

CLEFIA is a block cipher designed by Sony Corporation, adopted as a lightweight encryption algorithm of the new ISO/IEC 29192-2 standard, and proposed as a Japanese e-Government recommendation cipher CRYPTREC candidate.Provable security properties of cryptographic design are crucial in any security evaluation. Providing lower bounds on the number of active S-boxes in differential and linear characteristics has been one of the few important provable properties that can be formally shown for block ciphers and hence received a lot of attention.In this work, we prove tighter lower bounds on the number of linearly active S-boxes in CLEFIA-type generalized Feistel networks (GFNs) with diffusion switching mechanism (DSM). We show that every 6 rounds of such GFNs provide 50% more linearly active S-boxes than proven previously. Moreover, we experimentally demonstrate that the new bound is tight for up to at least 12 rounds, whereas the previous one is not. Thus, this paper delivers first provable evidence that diffusion switching mechanism actually provides an advantage by guaranteeing more active S-boxes in GFNs.     

基于多重映射的安全S盒构造方法

将构造S盒的问题转化为寻找满足一定条件的映射的问题。利用 Tent映射的混沌特性,提出初始映射算法,并使用该算法得到可作为初始S盒的初始映射。为了提高S盒的安全性,提出了使用多个初始映射对初始S盒做非线性操作的多重映射算法,经安全性准则检验,该算法能够获得安全性更高的S盒。最后通过设定一个安全指标统计了该算法能够生成的优良S盒的个数,表明优良S盒的个数随着算法采用初始映射个数的增加而增加,并且实现算法所需的时间与算法中采用的初始映射的个数成正比。     

Using RC4 and AES Key Schedule to Generate Dynamic S-Box in AES

ABSTRACT

Advanced Encryption Standard (AES) block cipher system is widely used in cryptographic applications. Substitution boxes (S-boxes) are a keystone of modern symmetric cryptosystems which bring nonlinearity to the cryptosystems and strengthen their cryptographic security. The S-box component used in classic AES is fixed and not changeable. If the S-box is generated dynamically, the cryptographic strength of AES cipher system would be increased. In this article, we use RC4 and AES Key Expansion algorithms to generate dynamic S-box for AES. The purpose of the proposed approach is to generate more secure S-boxes. The generated S-box will have better results in security analysis. To examine the security, various tests are applied to the new S-box and the results pass all of them.     

SM4算法门限掩码方案设计与实现

侧信道分析已严重威胁到密码算法应用安全,为提高SM4算法抵御侧信道分析的能力,提出一种门限掩码方案。首先,完成对SM4算法S盒的复合域分解;其次,基于二共享设计门限掩码方案,使用随机数将S盒输入进行二共享拆分,通过复合域运算和S盒门限掩码进行电路重构,并基于S盒复用降低硬件开销;最后进行线性层操作后将两个输出结果通过异或完成去掩码操作。对SM4算法门限掩码方案的FPGA实现仿真结果和安全性测试结果表明,本掩码方案能够有效抵抗CPA攻击,实现面积相对较低。