轻量级Hash函数的密码学分析与设计

Since the rapid development of the Internet of Things (IOT) and its applications, the information security and privacy problems are more and more considered in both of academic community and industry. Due to the constrained software and hardware resources, the security of IOT is mainly based on symmetric-key algorithms, such as block ciphers, hash functions and stream ciphers. Since hash function plays a pivotal role in digital signatures, data integrity, message authentication codes, etc., it becomes a widely-concerned topic on the research and analysis of secure and fast lightweight hash functions which are designed for resource-constrained environment...In this project, we focus on the research of the design properties and theoretical security of lightweight hash functions. First we will cryptanalyze the security of the existing permutation-based and block-cipher-based lightweight hash functions. Based on the knowledge from our cryptanalyses, we will propose the designs of lightweight hash functions with ARX (Addition, Rotation and Xor) structure. The ARX-based lightweight hash functions will be cryptanalyzed by our advanced automatic search algorithms for ARX differentials. The results can be synthesized to provide the new methods on the design and analysis of hash functions for resource-constrained environment.

随着物联网技术及其相关应用的快速发展，其信息安全性和隐私性也得到了业界的高度重视。由于软硬件资源受到限制，物联网信息安全大多基于对称密码算法加以保障。由于密码学Hash函数在数字签名、数据完整性检测和消息认证码等方面具有重要作用，研究与分析面向资源受限环境下安全高效的轻量级Hash函数，近年来逐渐成为了对称密码学研究方向上的一个广泛关注的问题。..本课题主要针对轻量级Hash函数的密码学安全性及其设计特点展开研究。我们将首先针对基于置换函数和基于分组密码算法的轻量级Hash函数的密码学安全性进行分析，再以此为基础探索基于ARX（模加Addition，移位Rotation和异或Xor操作）结构的轻量级Hash函数的设计方案，并通过改进的ARX差分链自动化搜索算法给出相应的安全性分析。最后综合上述研究成果，为面向资源受限环境的轻量级Hash函数的分析与设计提供新的思路和方法。

本课题主要针对轻量级Hash函数的密码学安全性及其设计特点展开研究。我们首先针对ARX结构、轻量级分组密码KLEIN等轻量级哈希函数典型基础组件进行研究。然后我们分析现有基于Sponge结构和基于分组密码的轻量级Hash函数，对SHA-3标准算法Keccak哈希函数给出深入研究。设计并实现了基于多变量密码的Sponge结构哈希函数SpongeMPH。在轻量级密码算法的实现上，我们对算法实现中存在硬件木马的检测方法提出了优化模型分析，并给出相应的安全性分析。基于CUDA计算模型下的并行化加速方法，对多变量布尔函数的加速运算提出了通用优化方法。通过对KLEIN分组密码算法抗Timing攻击的研究，给出了SPN结构+S盒密码结构下的bitslicing实现方式。在抗DPA攻击的门限化实现上，我们首先给出了4比特S盒的通用门限化实现构造方法。随后我们通过降低随机因子方法，给出了更加轻量化与高效的AES门限化实现。上述研究成果为面向资源受限环境的轻量级Hash函数的分析与设计提供新的思路和方法。