幾個(gè)分組密碼算法安全性的分析

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1、山東大學(xué)博士學(xué)位論文幾個(gè)分組密碼算法的安全性分析陳佳哲山東大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院密碼技術(shù)與信息安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摘要密碼學(xué)作為信息安全的基石，在現(xiàn)代社會(huì)中發(fā)揮著非常重要的作用。分組密碼算法是一類使用同一個(gè)密鑰來加密和解密的密碼算法，其與流密碼同屬于對(duì)稱密碼的范疇。分組密碼一般采用迭代結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度快且易于實(shí)現(xiàn)，因此廣泛運(yùn)用于各種軟硬件安全系統(tǒng)。對(duì)分組密碼的安全性進(jìn)行研究，有利于發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有分組密碼安全性存在的不足，并指導(dǎo)新的分組密碼的設(shè)計(jì)。NIST征集新的美國加密標(biāo)準(zhǔn)AES【1】的過程，以及歐洲的NF_,SSIEI程【21，日

2、本的CRYPTREC[3】工程等使分組密碼的設(shè)計(jì)和分析得到了快速發(fā)展。除此之外，隨著RFID、傳感器等的發(fā)展，資源限制的環(huán)境中使用的分組密碼也受到了廣泛的關(guān)注，岡此近年來輕量級(jí)分組密碼算法發(fā)展迅速。本文主要對(duì)ISO分組密碼算法標(biāo)準(zhǔn)Camellia[41，以及輕量級(jí)分組密碼算法TEAl5I，XTEA[6】和HIGHT[71進(jìn)行安全性分析。分組密碼算法Camellia由日本NTl’和三菱公司于2000年設(shè)計(jì)。該算法的分組長度為128L1",特，密鑰長度有128比特、192比特和256EL特三種，對(duì)應(yīng)的輪數(shù)分別為18輪、

3、24輪和24輪。Camellia被CRYPTREC-V程推薦為日本的e．government算法，并是NESSIET程最終選取的算法之一。此外它還由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)制定在國際標(biāo)準(zhǔn)ISO／IEC18033．3【8】中。分組密碼算法TEA，XTEA和HIGHT是適用于資源限制環(huán)境的輕量級(jí)分組密碼算法。TEAI蟲Needham和Wheeler于1994年提出：XTEA也是由他們?cè)O(shè)計(jì)，是TEA的改進(jìn)版本。這兩個(gè)算法都在Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核中使用，他們的運(yùn)算很簡(jiǎn)單．，只有模232加、左移、右移和異或。HIGHTI耋

4、Hong等設(shè)計(jì)，它被韓國電信技術(shù)協(xié)會(huì)(TelecommunicationsTechnologyAssociation)制定為標(biāo)準(zhǔn)，并且也成山東大學(xué)博士學(xué)位論文為了ISO／IEC18033．3中的標(biāo)準(zhǔn)算法。HIGHT的結(jié)構(gòu)為4個(gè)并行的Feistel結(jié)構(gòu)，它是標(biāo)準(zhǔn)的ARX算法，使用的運(yùn)算為模28加(Addition)，循環(huán)移位(Rotation)和異或(XOR)。本文中運(yùn)用不可能差分分析(ImpossibleDifferentialCryptanalysis)19,101和中間相遇攻擊(Meet．in．the．Midd

5、leAttack)1111對(duì)上述算法進(jìn)行分析，在導(dǎo)師王小云教授和合作導(dǎo)i)幣BartPreeneel教授的指導(dǎo)下取得了以下研究結(jié)果：·分組密碼算法Camellia的不可能差分分析1．帶FL／Frl的Camellia．192和Camellia．256的不可能差分分析Camellia是Feistel結(jié)構(gòu)的密碼算法，但每六輪有一個(gè)FL／FL-1層插入到算法中。FL和FL_1函數(shù)在固定密鑰下是線性的，目的是為了增加算法的不規(guī)則性，從而增加算法的擴(kuò)散作用1121。最近幾年中，Camellia算法受到了密碼學(xué)界的廣泛關(guān)注。由于

6、FL／FLo可能會(huì)破壞不可能差分的性質(zhì)，因此很多對(duì)Camellia算法的不可能差分分析都不帶FL／Frl【13-17】。本文第一次提出了帶FL／，r1層的4條不可能差分路線。這些不可能差分路線的輪數(shù)為6輪，F(xiàn)L／FL-1層在第3輪和第4輪之間。產(chǎn)生這些不可能差分路線的主要原因是FL，F(xiàn)rl函數(shù)前后的差分有一些限制條件，若要滿足這些限制條件，則一些非零變量需要為零。例如，根據(jù)FLFrl函數(shù)前后的差分限制條件，我們有：62o易3o64o易5ob6=b2ob30b50b6，這樣推出b4=0，而如果事實(shí)上b4≠0，這就產(chǎn)生

7、了矛盾，岡此得到不可能差分路線。利用其中一條不可能差分路線，我們給出了10輪Camellia．192和11．輪Camellia一256的不可能差分分析。此外我們給出了一些3輪Camellia的性質(zhì)，這些性質(zhì)有利于我們提前排除錯(cuò)誤對(duì)，降低攻擊的時(shí)問復(fù)雜度。我們的攻擊是第一個(gè)對(duì)帶FL／FL-1的Camellia的不可能差分分析。Camellia使用了白化密鑰，為了處理白化密鑰對(duì)分析產(chǎn)生的影響，往密鑰恢復(fù)過程中，我們首先恢復(fù)等價(jià)密鑰，再根據(jù)密鑰生成算法將ji密鑰恢復(fù)出來。我們的10輪Camellia一192的不可能差分分

8、析的數(shù)據(jù)復(fù)雜度為2眨1個(gè)選擇明文，時(shí)間復(fù)雜度為2175·3次10輪加密，存儲(chǔ)復(fù)雜度為2126字節(jié)；11輪Camellia一256的不可能差分分析的數(shù)據(jù)復(fù)雜度為2121個(gè)選擇明文，時(shí)間復(fù)雜度為2218。5次10輪加密，存儲(chǔ)山東大學(xué)博士學(xué)位論文復(fù)雜度為2166字節(jié)。此外，基于Wu等給出的不帶FL／Frl的Camellia的8輪不可能差分路線【14】，我們還給出了