分組密碼的線性類分析方法研究.pdf

1、分組密碼是現(xiàn)代密碼學(xué)的重要組成部分，是信息與網(wǎng)絡(luò)安全中實現(xiàn)數(shù)據(jù)加密、消息認(rèn)證及密鑰管理的核心密碼算法。隨著差分分析方法以及線性分析方法的提出，人們對分組密碼的安全性分析有了系統(tǒng)的研究工具。它們的出現(xiàn)不僅為分組密碼的分析理論奠定了堅實的基礎(chǔ)，同時也為分組密碼的設(shè)計理論提供了一定的依據(jù)。此后，基于這兩種分析方法的研究工作成為了分組密碼的研究熱點，密碼學(xué)者相繼提出了多種擴(kuò)展方法，如截斷差分分析方法、高階差分分析方法、不可能差分分析方法、飛來去

2、器攻擊方法、矩形攻擊方法、多線性分析方法、非線性分析方法、多維線性分析方法、差分-線性分析方法等。這些工作極大地推動了分組密碼的分析理論的發(fā)展，從而對分組密碼的設(shè)計理論提出了更高的要求，并最終促進(jìn)了分組密碼的發(fā)展。
　　本文主要從兩個方面研究了線性類密碼分析方法。一方面，針對幾種國際上比較流行的分組密碼算法，我們研究了這些算法抵抗線性分析方法、多線性分析方法的能力，從而對這些算法的安全性評估起到借鑒作用;另一方面，基于已有的線性類

3、密碼分析思想和方法（如線性分析方法、多線性分析方法、多維線性分析方法、線性堆思想，等等），我們提出了一些新的、有效的組合類分析方法，這些分析方法幾乎適用于各種分組密碼。它們的出現(xiàn)將對分組密碼的分析理論與設(shè)計理論起到積極的作用。論文的主要貢獻(xiàn)如下:
　　(1)研究了ARIA算法抵抗線性分析的能力，通過引入一種針對SPN類型分組密碼的線性特征，得到了一系列4輪簡化ARIA的線性特征，在此基礎(chǔ)上，提出了針對7輪、9輪以及11輪簡化ARI

4、A的線性攻擊算法。ARIA算法是韓國官方2004年公布的分組密碼標(biāo)準(zhǔn)算法，主要用于輕量級環(huán)境實現(xiàn)和硬件系統(tǒng)實現(xiàn)。在ARIA算法的設(shè)計文檔中，設(shè)計者認(rèn)為不存在對8輪或8輪以上簡化ARIA的線性攻擊算法，而本文的結(jié)果表明這樣的線性攻擊是存在的。該結(jié)果是到目前為止關(guān)于ARIA算法最好的分析結(jié)果。
　　(2)研究了SMS4算法抵抗多線性分析的能力，提出了針對22輪簡化SMS4的多線性攻擊算法。SMS4是用于國內(nèi)無線局域網(wǎng)安全標(biāo)準(zhǔn)WAPI的

5、分組密碼，是國內(nèi)官方公布的第一個商用密碼算法。我們首次從多線性分析的角度出發(fā)來研究SMS4的安全性，通過分析SMS4的算法結(jié)構(gòu)和輪函數(shù)的特性，提出了一系列18輪簡化SMS4的線性特征，基于這些線性特征，我們對22輪簡化SMS4進(jìn)行了有效的多線性攻擊并得到了關(guān)于SMS4算法較好的分析結(jié)果。
　　(3)提出了差分-線性堆分析方法，并通過將該方法應(yīng)用于SERPENT算法來證實其有效性。線性堆思想是由K.Nyberg提出的、利用具有相同輸

6、入掩碼和相同輸出掩碼的線性特征集合來研究分組密碼安全性的方法?；谠撍枷?，我們提出了差分-線性堆的概念并引入了一種利用差分-線性堆來研究分組密碼安全性的分析方法。與已有的差分-線性分析方法相比，新方法能夠充分挖掘?qū)儆谕徊罘?線性堆的多個差分-線性特征的統(tǒng)計特性，從而使得該方法具有更優(yōu)的數(shù)據(jù)復(fù)雜度。我們將其用于分析SERPENT算法的安全性并得到了較好的分析結(jié)果。
　　(4)提出了差分-多線性分析方法以及差分-多維線性分析方法，通

7、過將新方法分別應(yīng)用于DES算法和SERPENT算法來證實其有效性。在現(xiàn)代分組密碼算法的設(shè)計中，設(shè)計者往往已經(jīng)考慮了算法抵抗差分分析方法、截斷差分分析方法與線性分析方法的能力，分析者很難得到可用的、較多輪數(shù)的簡化算法的截斷差分特征或線性特征，但是，他們一般可以找到有效的、較少輪數(shù)的簡化算法的這些統(tǒng)計特征?；谠撎卣?，分析者就能夠利用差分-線性分析方法對較多輪數(shù)的簡化算法進(jìn)行有效的攻擊。本文將差分分析方法分別與多線性分析方法、多維線性分析方

8、法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，得到了新的組合類分析方法。與已有的差分-線性分析方法相比，新方法具有更優(yōu)的數(shù)據(jù)復(fù)雜度。為了驗證新方法的有效性，我們將其分別用于DES算法和SERPENT算法，得到了較好的分析結(jié)果。
　　(5)提出了線性故障攻擊方法，并通過將該方法應(yīng)用于SERPENT算法來證實其有效性。作為旁路攻擊的一種重要方法，差分故障攻擊已經(jīng)被廣泛用于分組密碼的安全性分析，但攻擊者需要將故障導(dǎo)入在該分組密碼的最后少數(shù)幾輪中。本文通過研究故障攻擊