认证加密算法的安全性分析研究

Privacy and integrity, the core of data security, are usually both required in many applications of information security. With integration of these two characteristics, an algorithm is called Authenticated Encryption (AE). The combination of symmetric encryption and message authentication is often applied in building an AE scheme, but it is of low efficiency and even potential security problems. Therefore, it is almost impossible to build a pervasive AE scheme. In July 2012, the NIST of USA sponsored the CAESAR competition for selecting AE standards during candidates of AE schemes, which meant that security analysis of AE schemes has become a hot issue in international cryptologic research society. This project aims at raising new ideas and technologies of security analysis on the structures of AE algorithm, finding security strength of several typical AE schemes from the angles of mathematical analysis and physical analysis, participating security evaluation on candidates of AE schemes in CAESAR and proposing security analysis results in theory or practice. This research will enrich and improve the analysis and design of available AE schemes, and contribute our research results and young talents for potential deep analysis of possible AE schemes of China in the future. This will not only promote the standardization of AE algorithm, but also make theoretical and technical preparation for our national self-reliant algorithm to reach the international standard.

保密性和完整性是数据安全的核心内容，大量的信息安全应用往往要求这两个安全特性同时具备，学术上把同时提供保密性和完整性功能的密码算法称为认证加密(AE)算法。人们一般采用对称加密+消息认证的组合方式来构造AE方案，但效率不高甚至存在安全问题，使得人们难以构造一个具有普适应用的AE方案。2012年7月，美国NIST发起了征集AE算法的CAESAR竞赛活动，标志着AE的安全性分析将成为国际密码领域新的研究热点。本项目拟对AE算法结构提出新的安全性分析思想和技术；从数学分析和物理分析等多个角度发现和揭示几种典型AE方案的安全强度；参与CAESAR候选算法的安全性评估，提出有理论或实际意义的安全性分析结果。本项研究将丰富和完善AE算法的分析和设计方法，为我国自主算法的深入分析论证提供研究积累和人才储备，不仅能促进国际上新一轮AE算法的标准化工作，也为将来把我国自主算法推向世界标准做好学术和技术准备。

认证加密算法通过将消息认证码和加解密算法相结合，同时来保证信息的完整性和安全性，近几年，全球范围内开展了诸如CAESAR竞赛等密码算法征集活动，极大促进了认证加密算法的发展。本项目主要研究认证加密算法的安全性分析理论，研究内容包括提出新的安全性分析思想和技术；从多个角度发现和揭示若干典型认证加密方案的安全强度；设计高安全、运算高效的、适用于认证加密的算法结构及组件。.项目按照计划执行，完成情况如下：（1）利用不可能差分攻击、零相关线性分析、中间相遇攻击等方法对AES、PRESENT、Camellia、Trivium等算法进行了安全性研究，找到了新的安全边界，提出了改进立方攻击等适用于认证加密方案的攻击思想。（2）对Sponge结构，可调分组密码、哈希组合器等组件进行了安全性分析，提出了相应的新型分析方法。针对算法结构和实现方式，研究了非线性逻辑等运算组件抵御旁路攻击的能力。通过利用统计和物理分析方法为认证加密算法设计和实现提供安全性评估支撑。（3）对参与CAESAR竞赛的Sliver、ACORN等认证加密算法进行了安全性分析，提出了伪造攻击、明文恢复攻击、立方攻击等针对性攻击方法和密钥恢复方法。评估了哈希函数标准算法SHA-3和SHA-2在认证协议中应用的性能，为这些算法和方案的应用者提供参考。.依托本项目的研究，在密码学和信息安全领域的主流期刊和国际会议上发表论文51篇，其中CCF A/B类论文26篇。项目成果形成安全分析技术和工具，已应用于第三方检测机构和密码芯片研发企业。项目执行期内，培养和锻炼博士后、博士生和硕士生，承办了中国密码学会年会等学术交流活动，完成项目目标。