秘密组件分组密码的分析方法研究

Block ciphers act as important vectors in cyberspace security. By using the differential cryptanalysis, linear cryptanalysis and algebraic cryptanalysis, this issue mainly focus on the security of block cipher with secret components and fixed components, and the the relation and distinction between them. Research on the more efficient method of recovering the secret components for block ciphers, and use them to investigate the new method of recovering the secret key of block cipher with fixed components. Moreover, the connection and attack effect between the new method and the existing methods will be studied. The practical study includes: (1) the construction of differential and linear distinguisher based on structure; (2) the construction approach of (approximate) optimal distinguisher under the conditions of expected probability distribution being unknown; (3) the utilization method of differential and linear distinguisher from secret components; (4) the comparison between the new key recover attack and the existing methods. The results of this project shall support the design and cryptanalysis of block ciphers with secret components.

分组密码是保障网络空间安全的核心要素。将密码算法中的组件设计为未知的、动态可变的秘密变换，是分组密码算法的一种新颖设计方法，也是最近几年密码分析的研究热点。本项目将利用差分分析、线性分析、代数攻击等密码分析技术，围绕秘密组件分组密码算法和传统静态分组密码算法安全性分析的联系与区别，展开分组密码算法新型分析方法研究，提出更有效的秘密组件的分析方法。在此基础上，提出传统静态密码组件情形下恢复密钥的新方法，并研究新方法与现有方法之间的联系及攻击效果。具体研究内容包括：（1）基于算法组件特点的差分和线性区分特征构造方法；（2）概率分布未知条件下最优或较优区分器的构造方法；（3）秘密组件差分和线性区分器的利用方法；（4）新型密钥恢复方法与现有攻击方法的对比。项目研究成果将为秘密组件分组密码算法的设计和分析提供理论和技术支持。

本项目围绕包含秘密组件分组密码算法的安全性分析展开深入研究，开展秘密S盒与秘密P盒的基础理论与关键技术研究，并对所给出的分析方法进行相应实验验证。更进一步地，将这些新的分析方法应用到传统静态的分组密码算法中，研究恢复密钥的新方法。. 在秘密组件与参数分组密码算法的安全性分析方面。利用差分分析、线性分析、积分攻击以及子空间路径分析等密码分析方法，对分组密码算法中的秘密组件与参数进行安全性分析。研究给出了类SIMON算法的循环左移作为秘密参数的安全性。对带秘密S盒的AES算法进行了研究，得到了3条新的AES算法子空间路径，构造出弱密钥下的2个5轮AES算法区分器。对NORX算法中非线性组件移位参数的选取准则进行了研究，证明了NORX算法中唯一非线性组件的移位参数取１时达到最佳的非线性逼近和循环性质。对ACE置换中的参数选取对算法的安全性进行了研究，指出ACE置换中可选择更安全的XOR结构。. 在传统静态分组密码算法的安全性分析方面。结合秘密组件分组密码算法的分析方法，对传统静态的密码算法，进行了相应的密钥恢复攻击。利用MILP搜索与概率积分，对轻量级密码PUFFIN算法进行了密钥恢复攻击；在算法组件与参数的基础上，给出了对Fantomas算法和Robin算法、GIFT算法、DVB-CSA算法、FIDES-80算法等算法更优的密钥恢复攻击。. 项目执行期间发表标注基金资助的学术论文9篇，项目负责人获2018年度军队科技进步二等奖和河南省科技进步二等奖，协助培养博士1名，硕士3名。项目研究的部分成果应用到动态可变分组密码算法设计、轻量级序列密码算法设计及全国密码算法设计竞赛提交参赛算法Pilot和Tulip算法中。项目执行期间，协助举办了2次国内学术会议，参加了5次国内学术会议，促进了学术交流。