密码杂凑函数的新型分析与设计研究

The cryptanalysis and design of Hash functions is a hot topic in modern cryptography. For the cryptanalysis of the candidate algorithms of SHA-3, the lightweight hash functions, the standard hash functions in many countries, and the design of hash functions, this project will involve the following four topics. (1) Give collision attacks on hash functions based on ARX by combining the automatic search tool with the bit tracing method which deduces the differential characteristic by hand. Give collision attacks on hash functions based on AES by rebound attack. We will grope for a new solution to improve the collision attacks on SHA-3. (2) Propose a technique to construct dynamic bicliques with low time complexity, and improve preimage attacks on SHA-3 finalists. (3) Focus on distinguishing attacks on SHA-3 finalists, SM3 and lightweight hash functions, and explore the relationship among several analytical method including the bit tracing method, rebound attack and meet-in-the-middle attack etc. (4) Design a new lightweight hash function with good software and hardware efficiencies.

杂凑函数的分析和设计是现代密码学研究的热点课题，围绕杂凑函数的分析与设计，开展以下研究工作：（1）对于基于ARX运算的杂凑函数，如BLAKE、SM3、RIPEMD-160等算法，将自动搜索算法和比特追踪法结合起来对算法进行碰撞攻击；对基于AES类的杂凑函数，如JH、Grøstl、Whirlpool等算法，采用反弹攻击对算法进行碰撞攻击；改进对SHA-3的碰撞攻击结果；（2）探索低复杂度的动态结构体构造方法，对SHA-3决赛算法的原像攻击，给出更有力的分析结果；（3）研究对于SM3、轻量级杂凑函数算法区分攻击的方法，进一步，将多种密码分析技术结合起来，探索各种分析方法之间的联系与区别，寻找新的安全性分析方法；（4）研究轻量级杂凑函数的设计方法，设计一个软硬件实现与安全性折中最优化的轻量级密码算法，并给出算法的安全性评估和分析。

杂凑函数是密码学的重要组成部分，常用于数字签名、口令验证、数据完整性检测、信息认证等。本项目研究了杂凑函数的碰撞攻击、原像攻击、区分攻击方法以及与杂凑函数密切相关的分组密码等的安全性分析方法，探索了安全性与实现折中最优的杂凑函数的设计方法。对于ISO/IEC国际标准RIPEMD-160算法，其步操作不是一个T-函数，本项目给出了保证其碰撞差分路线成立的充分条件的推导方法，且碰撞路线通过自动化搜索算法与手工优化相结合构造出来，采用消息修改技术、中间相遇等思想来使用消息字的自由度提高差分路线成立的概率；在综合考虑算法特点的前提下，给出了步数最多的碰撞攻击、原像攻击和区分攻击结果。本项目研究了杂凑函数的原像攻击和区分方法，给出了对于若干杂凑函数步数最多的原像攻击和区分攻击结果。本项目给出了对于若干分组密码算法（AES、SIMON、GIFT、SKINNY、MIBS等）、消息鉴别码Keccak-MAC和轻量级置换族sLiSCP的安全性分析结果。安全性分析结果为设计安全的杂凑函数提供了技术支持。.依托本项目的研究，在国内外顶级或重要会议、期刊上发表论文15篇，录用待发表论文1篇，包括CRYPTO、ASIACRYPT、FSE、Designs, Codes and Cryptography、SAC、ACNS、ACISP等重要会议、期刊；获省部级二等奖1项；培养已毕业硕士研究生5名。