认证加密工作模式研究

Authenticated encryption (AE) algorithms can protect data for both privacy and integrity, and thus are more functional than solo encryption or authentication algorithms. As advanced cryptographic tools, they are gradually realized with the applications of normal cryptographic schemes, and have been widely required and adopted in practice. However, compared with the rapid advancements abroad, there are seldom domestic studies on this subject, and our R&D is just in the beginning phase. In this project, we try to study AE algorithms on the mode level, investigating their design principles and searching for reasonable ways to combine their authentication and encryption parts. Based on this, we will evaluate the current AE algorithms, especially the CAESAR candidates. Meanwhile, we will investigate their SW/HW resources, functionality and efficiency requirements in reality, and then establish previse models to compare the current AEs, and finally present a new design with robustness and user-friendliness. This project will not only enrich domestic achievements on AE algorithms, but also provide theoretical supports and structural instructions for the analysis and design of dedicated AE algorithms. By this way, it will promote the domestic R&D level, narrow the gap between home and abroad, and educate students on cryptography.

认证加密算法能够同时保护数据的机密性和完整性，弥补了单一加密算法和单一认证算法的缺陷，是人们在密码应用实践过程中逐步总结提炼出来的高级密码学工具，在现实生活中有着广泛的需求和应用。相比较于国际研究的如火如荼，国内目前在该领域的成果极其有限，研发水平仅仅处于起步阶段。本项目致力于从工作模式角度研究认证加密算法，总结归纳此类算法的设计原理，理清认证与加密的科学组合方式，并据此以可证明安全技术为主要工具分析与评估现有（特别是CAESAR竞赛）认证加密算法；同时挖掘现实应用对此类算法的资源配置、功能与效率需求，建立精准的模型评估比较现有算法的适应性，进一步完成健壮易用的新型认证加密模式的设计。本项目将丰富我国在认证加密工作模式领域的研究成果，为分析与设计专门化认证加密算法提供必要的理论支持和框架指导，提升我国在认证加密领域的研发水平，缩小国内外差距，为国家培养相关密码人才。

随着信息技术的快速发展，人们对信息的保护需求逐渐提高，很多场景要求高效率地完成对信息的机密性保护和完整性保护。因此产生了认证加密算法。为丰富认证加密设计理论，研究团队全面调研了现有的认证加密算法，着重分析其“认证”和“加密”相结合的方式。在分析方面，我们提出了新型链值检测技术，在多密钥模型下实现了对Minalpher和OPP算法的恢复密钥攻击；在设计方面，我们提出了基于双管道结构的在线加密方案，解决了加密过程中状态链值泄露与安全性需求之间的矛盾，而且能够提供比分组密码更高的安全防护；我们提出的消息鉴别码算法框架，能够提供较强的抗碰撞性质，可应用于高安全算法设计，已经获得国家专利授权；在实现方面，团队提出了针对国家商用密码算法SM2/3/4/9的系列白盒实现方案，能够在弱终端设备上有效保护密钥，从而为相应的密码机制（包括认证加密方案）从底层提供必要的安全防护。团队提出的密码分析方法、新型设计理念，丰富了密码理论；制定的消息鉴别码国家标准，已经于2020年3月实施，将规范采用此类密码机制的应用，促进信息数据的完整性保护。