基于混合运算的密码模型研究

Recently, with the development of a series of algorithm standarizing competitions such as eSTREAM, SHA-3 and CARSAR, a class of algorithms based on simple operations such as module addition, rotation, exclusive-OR and bitwise operations attract the attention of algorithm designers for their high security level and high efficiency in software and hardware platforms. This project starting from two perspectives of a cipher, structure and basic operations contained, classifies this kind of ciphers deliberately,got the model of cipher with hybrid operation based primitives. By security analysis of some typical hybrid operation based algorithms such as Salsa20, Threefish ,(X)TEA, HIGHT, LEA, MORUS,HC series, CubeHash we study the security level of four cipher models based on hybrid operations, i.e. SP structure model, feistel-like structure model, parallel iteration structure model and box substitution structure model against known attacks. We will try to solve some key problems such as parameter selecting and operations assembling, which can provide theory basis and basic rules for the design of hybrid operation based primitives.

近些年，随着eSTREAM，SHA-3，CARSAR等一系列标准化算法征集活动的开展，一类仅基于简单运算(模加运算、循环移位运算、异或加运算、比特布尔运算等)的密码算法以其高安全性、软硬件实现的高效性受到了密码设计者的广泛关注。本项目从算法结构和包含的基本运算两个角度出发，将此类算法进行模型细化和归类，得到了基于混合运算的密码模型。通过对典型的基于混合运算密码算法Salsa20, Threefish ,(X)TEA, HIGHT, LEA, MORUS,HC系列,CubeHash等进行安全性分析，对SP结构、类Feistel结构、并行迭代结构、表代替结构四种基于混合运算密码模型抵抗各种已知攻击的能力进行研究，力图解决此类模型的参数选取和基本运算的组合选取等关键问题，为基于混合运算密码算法的设计提供设计准则和理论依据。

随着eSTREAM，SHA-3，CARSAR等一系列标准化算法征集活动的开展，一类仅基于简单运算(模加运算、循环移位运算、异或加运算、比特布尔运算等)的密码算法以其高安全性、软硬件实现的高效性受到了密码设计者的广泛关注。本项目研究了 SP 结构、类 Feistel 结构、并行迭代结构等基于混合运算密码模型抵抗积分、差分、线性等攻击的能力，针对基于混合运算密码模型提出了积分区分器、零相关线性区分器、差分区分器等区分器搜索或构造的新方法，针对SIMON系列、Simeck系列、MOURUS系列、LEA系列和HIGHT等典型MOC算法进行了安全性分析，取得了目前最好的攻击结果。. 具体地，对于SIMON32/48/64/96/128算法，首次提出了算法12/13/14/17/20轮的积分区分器，基于比特之间的相关性构造了12/14/16/20/24轮的高阶积分区分器，首次对缩减轮的SIMON系列算法进行了积分分析；针对Simeck32/48/64算法，首次提出了对Simeck32/48/64算法21/24/ 28轮的零相关线性分析结果，对缩减到20/23/28轮的Simeck32/48/64算法进行了积分分析。针对MORUS系列算法，首次给出MORUS-640-128算法完整的状态恢复攻击及伪造攻击结果，只需要7次重用就能够以成功率1恢复所有内部状态进而实现对任意消息的伪造；针对LEA系列算法，提出了更多目前最长的不可能差分区分和最长的零相关线性区分器，对9/13/14轮的LEA-128/192/256算法进行了零相关线性分析。. 本项目的研究成果可解决基于混合运算密码模型的参数选取和基础运算的组合选取等关键问题，为基于混合运算密码算法的设计提供设计准则和理论依据。