认证加密算法的设计与分析

After long time study on encryption and authentication, researchers proposed Authenticated Encryption algorithms (AEs) that can protect data for both privacy and integrity. Such algorithms can satisfy numerous requirements from reality, and have become hot topics among international cryptographic research. By this project, we focus on the analysis and design of dedicated AEs and try to achieve a series of original results that have global impact. For analysis, we study the usability and limitations of traditional methods on AEs, such like differential analysis, collision attacks and meet-in-the-middle attacks, investigate new techniques and models on AE security, and estimate the security and robustness of CAESAR candidates. For design, we study AEs on the levels of both overall structures and underlying primitives, construct high-speed and lightweight primitives, which finally support for new AEs. Furthermore, we study the design principles of block ciphers, compression functions, permutations, tweakable block ciphers and message authentication codes, and try to design a series of AEs with advanced techniques and independent intellectual properties, which satisfy the strategic demands of domestic commerce ciphers. Finally, we plan to submit a draft AE standard with independent intellectual property, and fill the blanks in domestic cipher standards.

认证加密算法能够同时保护数据的机密性和完整性，是人们在研究加密算法和认证算法的基础之上根据现实应用需求而提出的新型对称密码算法，是近年国际上密码学研究的热点和重点领域。本项目围绕专用认证加密算法的分析与设计展开研究，力争取得一批具有国际影响力的原创性成果。研究差分分析、碰撞攻击、中间相遇攻击等分析方法在认证加密领域的适用性及局限性，探索认证加密算法安全性的分析方法和评估模型，分析评估CAESAR竞赛候选算法的安全性和健壮性。研究认证加密算法的整体结构和局部设计方法，构造可以高速实现和轻量化实现的基础模块，为新型认证加密算法的设计提供支持；研究分组密码、压缩函数、大置换、可调分组密码以及消息鉴别码算法设计方法的相互融合；设计系列具有自主知识产权、技术先进的认证加密算法，满足我国商业密码的战略需求；提交具有自主知识产权的认证加密算法建议标准，填补我国密码标准的空白。

本项目评估了认证加密算法OPP和Minalpher在多密钥下的安全性，给出了OPP和Minalpher的首个第三方分析评估结果；设计了启发式相关密钥活跃S盒自动搜索算法，分析评估了认证加密算法Deoxys和Joltik在相关密钥相关调柄下的安全性；提出了在线认证加密算法的新安全模型，更好地刻画了在线认证加密算法在释放未经验证明文（RUP）假设下的安全性，给出了ELmD算法的伪造攻击和明文恢复攻击。解决了循环移位异或型扩散层设计的一个理论问题，给出了最优扩散层的直接构造方案，提出了一种基于迭代分层思想的S盒硬件优化实现搜索算法，对差分枚举中间相遇攻击和双系分析提出了更加有效的自动分析模型；设计了uBlock分组密码算法，不同参数的算法基于同一框架，可扩展性好、适应性强,可以直接用于认证加密工作模式，也可以作为认证加密算法的底层模块。提出了一族基于压缩函数与双管道结构的具有在线性的加密方案，设计了双向在线的认证加密算法，具有可证明安全性、轻量化、可并行、灵活性等优点，通过选取合适的底层分组密码可以为RFID和传感器网络等资源受限环境提供认证加密。项目组发表学术论文26篇，撰写编著2部，授权国家发明专利1项，登记软件著作权2项，编制国家标准2项，获得2018年密码科技进步二等奖和全国密码算法设计竞赛一等奖。