基于比特的分组密码的设计与安全性分析

Block cipher is an important research field of modern cryptology, its development has wide practical background and vital theoretical value. According to the up-to-date research trend and progress, we will make a deeply research on the following 3 aspects. First, we will design a bit-oriented general-purpose block cipher to make a preparation for the public block cipher competition in our country. Second, we completed the design of a bit-based lightweight block cipher named RECTANGLE from December 2012 to February 2013, we will continue the study of the design optimization. Third, we will make a deeply study on the security estimation approach of bit-based block ciphers, the research fruit can be directly used in the security estimation and analysis of our two designs; Furthermore, we will try to make new progresses on the security estimation and analysis of some ciphers with international influence such as Noekeon、PRESENT、Serpent、SHA-3 and SM4. The implementation of the project will improve our research level on the design, security estimation and security analysis of block ciphers, also we hope to make our contribution to the research and development of related research field in our country.

分组密码是现代密码学的一个重要分支，它的发展具有广泛的实用背景和重要的理论价值。根据国内外分组密码和密码杂凑函数的最新研究动态和进展，我们将在以下三方面展开研究：（1）自主设计一个基于比特的通用分组密码，在时机成熟时参与我国分组密码算法的公开征集和评选活动；（2）对我们于2012年12月-2013年2月设计的基于比特的轻量级分组密码RECTANGLE，展开进一步的优化研究，探求在设计上进一步提升的可能性；（3）研究基于比特的分组密码的安全性评估方法，并将研究成果直接用于我们所设计的两个分组密码的安全性评估和分析中；进一步，对Noekeon、PRESENT、Serpent、SHA-3和SM4等具有影响力的密码算法，尝试给出更深入的安全性评估结果、或更有力的安全性分析结果。本项目的研究将提高我们对分组密码的设计、安全性评估和安全性分析水平，为我国在这一领域的研究和发展做出我们的贡献。

本项目的研究内容包括三个方面：基于比特的分组密码的设计、安全性分析和安全性评估。所取得的主要成果如下：（1）完成了轻量级分组密码RECTANGLE的设计。在资源受限的软硬件平台上 (比如硬件面积/能耗或者软件RAM/ROM等资源有限)，RECTANGLE可用于保护数据的机密性、认证性和完整性。RECTANGLE获得了国家密码管理局、华为等的多项认可；RECTANGLE参加FELICS（Fair Evaluation of Lightweight Cryptographic Systems）国际竞赛，在19个轻量级分组密码中排名靠前。（2）对所有的4比特双射S盒，按照两种新密码指标进行新的分类，并将研究结果用于RECTANGLE、PRESENT和SPONGENT的设计和分析中。我们对RECTANGLE的S盒选取用到了这项研究结果；如果将这项研究结果用于PRESENT和SPONGENT的设计中，能够提升这两个密码算法的实现性能和安全性之间的性价比。（3）对分组密码（或密码杂凑函数底层置换）的最优差分/线性特征搜索算法进行优化，将优化算法用于NOEKEON分组密码和SPONGENT密码杂凑函数，与设计者给出的结果相比，都得到了更好的分析和评估结果。优化算法的思想和方法也适用于许多其它分组密码/密码杂凑函数抵抗差分/线性密码分析的安全性分析和评估。（4）基于混合整数线性规划的方法搜索基于比特可分性的积分区分器，将搜索算法运用于6个轻量级分组密码的积分区分器搜索，对SIMON、PRESENT和RECTANGLE获得了更长轮数的积分区分器，对SIMECK、LBLOCK和TWINE所得结果和之前的最好结果一致。类似地，该算法的思想和方法也可应用于其它分组密码抵抗积分密码分析的安全性分析和评估。