物联网中轻量级可变分组加密方案的研究

The application components in the Internet of Things (IoT) adopt the micro-computing processing equipment with limited computing power and storage capability. As a result, the traditional cryptographic algorithms are unable to solve the increasingly prominent data security problem in the IoT. This project aims at the urgent demand for lightweight algorithm in the IoT, and researches the.design method of lightweight and variable length block cipher based on cellular automata theory. Based on the basic principle of cellular automata in the context of artificial life sciences, this project studies the variable length block cipher to break the limitation of the traditional block cipher in which the block length of the plaintext is fixed. Firstly, we study the construction method of reversible.cellular automata (RCA) with different dimensions and neighborhood structures. Based on the hybrid RCA, we construct the encryption round function which adapts to variable block length, and then we design key schedules with variable output length. Finally, the security and performance of the variable length block cipher are analyzed by formally proof and software and hardware simulation, which provide a technique model for the lightweight block cipher applied in the IoT. The research achievement of the project provides an important theoretical basis and technology support for data security in the IoT, which has important theoretical significance and practical value.

物联网中的应用组件采用计算能力相对较弱、运算存储能力有限的微型计算处理设备，导致传统密码算法无法解决物联网领域日益突出的数据安全问题。本项目依据物联网对轻量级密码算法的迫切需求，研究基于元胞自动机理论的轻量级可变分组密码方案设计方法，即以人工生命科学背景下的元胞自动机的基本原理为背景，突破传统的分组加密算法明文分组长度固定的局限性，开展基于元胞自动机理论的轻量级可变分组加密方案的研究。拟首先研究不同维数不同邻域结构的可逆元胞自动机的设计方法；在此基础上，研究基于混合元胞自动机的适应可变分组的加密轮函数的设计方法；然后，研究输出长度可变的密钥编排函数的设计方法；最后，采取形式化证明以及软硬件模拟结合的方法分析可变分组加密算法的安全性以及效率，为轻量级分组加密算法应用于物联网领域提供技术模型。本项目的研究成果为解决物联网中数据安全的问题提供了理论依据和技术支撑，具有重要的理论意义和实用价值。

针对传统密码算法不适用于物联网中资源受限设备的问题，本项目密切结合物联网对轻量级分组密码的迫切需求，开展了基于可逆元胞自动机的轻量级密码方案的研究。具体包含以下主要成果：(1) 研究了一维和二维线性元胞自动机的可逆性，给出了判断或者构造一维线性可逆元胞自动机的通用性结论，并且构造了一种可逆的二维元胞自动机，在此基础上，设计了一个基于可逆二维元胞自动机的图像加密算法，取得了较好的加密效果。(2) 提出了一种轻量级保长加密算法，可以根据明文长度灵活调整分组大小，突破了传统固定分组长度的局限性。该算法采用基于Lai-Massey结构的对合设计方法和轻量级的组件，以适应嵌入式设备有限的计算能力，在保证算法轻量的同时仍具有较高的安全性。(3)提出了一种面向硬件的轻量级分组密码算法，引入具有不同非线性组件的ARX结构，解决了传统Feistel结构扩散速度慢的问题。该算法可以根据不同的硬件资源环境实现不同级别的序列化程度，保证了在资源受限环境中实现的灵活性。项目研究期间，在国内外期刊上发表论文6篇，申请发明专利6项，培养硕士生5名。本项目所取得的研究成果为保障资源受限的物联网领域的数据安全提供了技术方案，具有较强的理论意义和实践应用价值，也对其他轻量级密码技术的研究也具有重要借鉴意义。