对称密码安全性分析中的若干关键问题研究

As a core component of modern cryptography, symmetric-key cipher is served as the fundamental cryptographic algorithm in realizing the functionalities of data encryption and message integrity. So far symmetric-key ciphers have been widely used in various scenarios such as cryptographic protocols, digital signature, web authentication, wireless communication, and so on. If there exist security flaws within some widely-deployed symmetric-key cipher, this may cause severe damage to our society. Hence, cryptanalysis of symmetric-key ciphers has always been the research hotspot for the international cryptologic research community. This project aims at dealing with some key points within cryptanalysis of symmetric-key ciphers, by exploring and building essential links among different cryptanalytic approaches, investigating the possibility, crucial issues and solutions of applying some cryptanalytic tools which are suitable for certain type of symmetric-key ciphers to other types of symmetric-key ciphers, doing further research on security analysis of authenticated encryption (AE) schemes, proposing novel ideas and technologies for cryptanalysis of AE algorithms, and applying the newly proposed approaches to security evaluation of CAESAR (i.e., the competition for AE run by the international cryptologic research community recently) candidates. This research will enrich and improve the theory and method for cryptanalysis of symmetric-key ciphers, facilitate security evaluation of widely-used symmetric-key ciphers, and make potential technical and talent preparation for investigation of our national self-reliant symmetric-key algorithms in the near future.

作为现代密码学的核心组成部分，对称密码是实现数据保密和完整性保护的基础体制。对称密码算法已经广泛应用于加密协议、数字签名、网络认证、无线通信等，一旦在实际中广泛使用的对称密码算法存在安全漏洞，将可能给社会带来巨大的损失和危害。为此，对称密码的安全性分析一直是国际密码领域的研究热点。本项目瞄准对称密码分析领域的热点和难点问题，积极探索并构建对称密码主流分析方法之间的本质联系，深入挖掘针对某种类型对称密码的分析方法适用于其他类型密码算法的可能性、关键问题和解决方案，深入研究认证加密算法的安全性分析理论，提出新的安全性分析思想或技术，并将其应用于当前国际密码学界密切关注的认证加密算法竞赛CAESAR候选算法的安全性评估中。相关研究将进一步丰富和完善对称密码的分析理论与方法，对对称密码算法的安全性分析与评估起到很好的促进作用，同时，为我国自主算法的深入分析论证提供研究积累和人才储备。

近年来随着对称密码广泛应用于云计算、物联网、RFID标签、智能卡安全、大数据安全等众多领域，其安全性分析一直是密码学领域的研究热点之一。本项目围绕对称密码安全性分析中的若干关键问题开展了深入研究，并对与密码学息息相关的区块链技术进行了深入探索，主要取得了如下结果：. 1、针对中间相遇攻击、不可能差分分析、故障攻击、基于Division Property的密码分析、线性分析、差分-线性分析等分析方法，结合国际上主流的对称密码或Hash算法，我们研究了这些算法抵抗上述分析方法的能力。. 2、对轻量级密码算法中采用的MDS矩阵的安全性及效率进行了深入研究，构造了新型的、效率更优且兼顾安全的Near-MDS矩阵。. 3、对CRYPTO 2017上提出的新型立方攻击方法进行了扩展，扩展后的攻击方法可以很好地解决原有方案存在的假设及限定条件，从而有效提升了立方攻击的效果及适用性。. 4、对线性分析及其扩展方法的本质思想进行了分析梳理，从差分-线性分析方法入手，对该分析方法的基础理论进行了精炼与完善，并在此基础上提出了一种密钥相关的差分-线性分析模型。. 5、对区块链共识机制、安全与隐私保护、可扩展性等关键技术进行了深入探索，提出了相应的协议设计模型与方案。. 相关结果对密码算法的安全性评估起到很好的借鉴作用，对密码算法的分析与设计理论起到积极的促进作用，对密码学与区块链的融合创新起到较好的推动作用。