认证加密算法分析及可证明安全理论研究

Authenticated encryption algorithms can provide both confidentiality and integrity of information. Secure and efficient authenticated encryption algorithms have become a powerful guarantee of secure communication in the Internet of Everything (IoE), and the research of authenticated encryption algorithms have become an international research focus. CAESAR competition has further promoted authenticated encryption development rapidly. This project intends to make research on analysis and provable security theory of authenticated encryption algorithms. and especially tracks CAESAR candidate algorithms. Based on the traditional analysis method on symmetric encryption and combined with the characters of authenticated encryption, we try to digest leakage of information according to the analysis method of outside-in, and to explore all kinds of security vulnerabilities to explore blockcipher-based and sponge-based authenticated encryption algorithms. Especially, we analyse AEGIS、AES-JAMBU、AEZ、ELmD、POET、SHELL、ASCON、PRIMATEs. This project also integrates the problems found in safety analysis into the provable security theory. We consider non-forgeability of the ciphertext and the query ability of tag generation according to the analysis of strong attack model. We plan to give a more perfect provable security model, and to explore the connection between the various security definition in the new security model.

认证加密算法同时提供信息的保密性和完整性，安全有效的认证加密算法已成为万物联网时代安全通信的有力保障，成为国际研究的热点问题。凯撒（CAESAR）竞赛的提出，进一步促进认证加密算法快速发展。本项目拟致力于认证加密算法的安全性分析以及可证明安全理论的研究，跟踪凯撒候选算法，借鉴传统对称密码算法分析方法，结合认证加密算法结构特点，按照由外向内、从一般到具体的分析思路挖掘结构可能泄露的信息，探索基于分组密码和Sponge结构的认证加密算法的新的攻击方法，特别对AEGIS、AES-JAMBU、AEZ、ELmD、POET、SHELL、ASCON、PRIMATEs等算法进行分析。本课题拟将安全性分析中发现的问题，融合到可证明安全理论中。在攻击模型中允许攻击者询问认证标签生成谕示，结合密文不可伪造的新的安全目标，给出几类安全定义，规划认证加密算法合理的可证明安全模型，并重新探讨新的模型下的各种安全定义。

凯撒竞赛在2013年1月发起, 其主要目的是为了找到比现有的选择例如AES-GCM更具优势并且适合广泛使用的认证加密算法。该竞赛在2018年3月宣布7个候选算法进入决赛, 其中6个算法在2019年2月获选最终算法选集，本项目对凯撒竞赛中两个入围决赛的算法ASCON和MORUS展开研究，给出了简化版本的ASCON-128算法的新鲜值误重用下的密钥恢复攻击和4/5/6轮标签生成阶段的伪造攻击；得到5.5/6.5步的MORUS-640/1280的密钥恢复攻击和6/6.5步的MORUS-640/1280的积分区分器和4.5步的MORUS-1280的差分区分器，提出的密钥恢复攻击和区分攻击均是MORUS算法现有的最优分析结果。给出Ashur等人在2017年美密会上提出的满足特殊安全性的认证加密算法GCM-RUP的一般伪造；我们也发现了一些对称密码算法存在的漏洞，并结合积分分析等分析方法相似的攻击思路，分析了PRESENT-like置换算法、可调节的分组密码算法的设计、自动化搜索工具的完善、AES等多个算法进行了分析，分别取得了很好的研究结果。