分组密码设计中的若干关键问题研究

As an important part within the infrastructure of information and network security, block cipher is always served as the core cryptographic algorithm in realizing the functionalities such as data encryption, message authentication, key management, and so on. There are two main aspects regarding the research work on block cipher, i.e., analysis and design of block cipher, which interact with each other and finally push forward the development of block cipher. With the appearance of combined cryptanalytic methods (for instance, related-key sandwich cryptanalysis, differential-multiple linear cryptanalysis, etc.) and biclique cryptanalysis recently, the security of block cipher has been impacted significantly and thus the design theory of block cipher needs to be enhanced further. In this project, we will do deep research on the above new powerful cryptanalytic approaches, and dig into the essential points of these methods, then with the help of the techniques such as provable security theory, statistics, algebra and computation complexity theory, we will explore how to resist these cryptanalytic tools effectively from the aspects of the fundamental structure and basic modules of block cipher respectively, thus achieving some new ideas for the design of block cipher. Moreover, by taking into account the existing design rationale and the new design rules proposed in this project, we will devise a novel block cipher scheme which is sufficiently secure against known cryptanalytic methods, as well as applicable and efficient in various platforms. It is expected that our work could not only improve the design theory of block cipher, but also facilitate the standardization of block cipher in China.

分组密码是信息与网络安全中实现数据加密、消息认证及密钥管理的核心机制，其研究主要包括分组密码的分析与设计两个方面，它们相辅相成，共同推动着分组密码的发展。近年来随着相关密钥-三明治、差分-多线性等组合类分析方法及Biclique分析方法的提出，分组密码的安全性受到了一定程度的挑战，分组密码的设计理论需进一步加强。本项目拟对这些新型的、强大的分析方法进行深入研究，在充分挖掘这些分析方法本质思想的基础上，利用可证明安全理论、统计学、代数学、计算复杂度理论等工具，积极探索分组密码的整体结构及各个基础模块如何能有效地抵抗这些分析方法并提出新的设计思想；在充分考虑已有的分组密码设计理论的基础上，结合本项目提出的设计思想，构造一种新的、安全高效的、适用于多种平台和环境的分组密码算法。期望本项目的研究成果能丰富和完善分组密码的设计理论，同时也对我国分组密码算法的自主设计、开发与标准化工作起到促进作用。

近年来随着分组密码算法广泛应用于云计算、物联网、RFID标签、智能卡安全、大数据安全等众多领域，其安全性分析与设计一直是密码学领域的研究热点之一。本项目围绕分组密码的分析方法与设计思想展开深入研究并取得了如下成果：.1、针对不可能差分分析方法、积分分析方法、零相关线性分析方法以及相关密钥-矩形分析方法、差分故障攻击方法、中间相遇故障攻击等组合类分析方法，结合几种国际上比较流行的分组密码算法、Hash算法或结构，研究了这些算法或结构抵抗上述分析方法的能力并提出了相应的密钥（或消息）恢复攻击方法，相关结果对密码算法或结构的安全性评估起到很好的借鉴作用，对分组密码的设计思想起到积极的促进作用。研究结果发表在IET Information Security, Security and Communication Networks, IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing, INDOCRYPT等密码学与信息安全主流SCI期刊或国际会议中。.2、探索了不同分析方法之间的本质联系，给出了积分分析方法、不可能差分分析方法及零相关线性分析方法之间的内在联系，相关联系不仅有助于理解这些分析方法的本质思想，更是推动了不同的分析方法更细粒度的划分、归类工作，从而为分组密码算法的安全性研究与设计提供了强有力的帮助。研究结果发表在密码学与信息安全顶级会议CRYPTO中。.3、在深入研究已有的对称密码设计理论及主流分析方法的基础上，综合考虑分组密码的整体结构及主要基础模块（如S盒、扩散层、密钥扩展算法），探索了新型密码算法的设计理论，提出了新的、安全高效的分组密码算法。相关研究还在进行中。