分组密码自动分析若干关键理论与技术问题的研究

Block cipher is usually the core foundation of most of our security systems, and hence its security has extremely important impacts on the security of entire information systems. Therefore, security analysis of block cipher has always been important topic of research on cryptography. In addition, recently block cipher analysis methods and techniques have achieved rapid development, and traditional manual derivation which depends heavily on specific cipher properties are changing to automatic analysis of ciphers gradually. Moreover, its application to AES has achieved breakthrough results, and hence has become the ermerging hot topics in block cipher research. Therefore, in this project we will mainly focus on the research of automatic analysis methods of block cipher, and try to address several key theoretical and technical problems as follows. First of all, we try to expand the existing results by utilizing specific properties of round function and propose improved automatic analysis modules. Then aiming at several new cryptanalysis methods proposed in recent years, we try to establish new effective automatic analysis modules. At last, based on the above research results of automatic analysis modules, aiming at specific lightweight block cipehrs and cipher structures, we try to slove seceral important technical problems ermerged in the realization and application of automatic search in practical environments and present improved cryptanalysis results. The results of our research can be applied to the security evaluation of block ciphers directly, and it can also provide effective theoretical and technical support to the selection of our own national encryption standars.

分组密码是许多安全系统的核心基础，其安全性对整个信息系统的安全有着极其重要的作用，因此对分组密码安全性的研究一直是密码学领域的重点课题。此外，近年来随着分组密码分析方法和技术的快速发展，传统的手工推导且依赖于具体密码算法特点的密码分析正逐步向密码自动分析发展。并在对AES等算法的分析中取得了突破性的结果，成为目前密码学研究新兴起的热点问题。本项目即针对分组密码自动分析方法进行系统深入研究，拟解决若干关键理论和技术问题，具体包括利用轮函数内部信息扩展现有针对密码结构的结果，提出改进的自动分析模型；针对近年新提出及取得重大发展的几种攻击方法建立新的密码自动分析模型；并在上述理论研究基础上，以具体轻量分组密码和密码结构为应用对象，研究密码自动分析在实现和应用方面的关键技术，提出改进的密码攻击。所取得的研究成果可直接应用于分组密码安全性评估，将为我国的密码标准化评选提供有效的理论和技术支撑。

分组密码是目前最重要和流行的一种密码技术，尤其随着各国加密算法标准化的进展，分组密码在工业和商用领域得到了广泛应用，其安全性对整个信息系统的安全有着极其重要的作用。近年来，随着分组密码分析方法和技术的快速发展，自动分析已成为研究的热点和发展趋势。凭借着快速、全面、准确等特点和优势，自动分析正逐步取代传统手工分析，成为目前密码攻击和安全性评估的主要手段，取得了大量突破性的成果。本项目针对分组密码自动分析的理论、关键技术、应用和实现等方面进行了系统深入的研究。通过研究攻击原理的本质特征，提炼关键攻击过程，建立了密码自动分析模型。在此基础上，对密码整体结构和部件进行抽象提取通用特征，实现了程序化的自动分析算法。具体的，在分组密码自动分析模型方面：针对传统密码分析方法，提出了循环差分自动分析模型、建立了对大规模Feistel类密码的差分/线性活动S盒自动分析模型、建立了单密钥中间相遇自动分析模型；针对近年新提出及取得重大发展的密码分析方法，建立了分割双系自动分析模型、提出了改进的多维零相关线性自动分析模型。在分组密码自动分析关键技术方面：给出了反射攻击区分器、循环差分特征、零相关线性区分器、最优双系构造、最优中间相遇区分器、通用积分区分器等的自动搜索算法和技术。并在上述理论研究基础上，将自动分析模型和技术应用到具体密码算法的分析和设计中，给出了PRINCE算法的全轮反射攻击、Zorro算法的全轮差分和线性攻击、新型分组密码结构EGFN的全轮差分攻击、轻量级分组加密标准CLEFIA的改进中间相遇攻击、ISO分组加密标准Camellia的改进中间相遇攻击、美国NSA提出的SIMON算法的改进零相关线性攻击、LBlock和TWINE的改进双系攻击和积分攻击、密码算法LAC、DBlock、LHash、Feistel-PG结构的设计等。并在上述研究基础上，在SCI/EI 收录的期刊和会议上发表论文14篇（包括JoC、DCC、IPL、FSE、SAC等），获得1项国家发明专利，登记6项软件著作权，提交LAC至国际认证加密算法评选竞赛。通过本项目的研究，基本实现了常用分组密码分析方法的自动分析，可以极大的提高分组密码分析效率，实现更快速、更准确地评估密码算法的安全性，有助于提高我国的密码应用水平，保障我国商用密码算法和产品的安全性，也可以为我国未来的密码算法标准化评选提供理论和技术支撑。