輕量級(jí)分組密碼算法S盒的設(shè)計(jì)與分析.pdf

1、物聯(lián)網(wǎng)作為新一代的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)從人與人的通信擴(kuò)展到物與物的通信，為人類生活帶來(lái)了極大的便利。隨著物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，人們對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)的保密性、完整性和可用性更加重視。密碼技術(shù)是支撐整個(gè)信息安全保障體系的核心技術(shù)。然而，傳統(tǒng)的密碼學(xué)算法（如AES）難以滿足物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品中功耗低、計(jì)算資源受限的要求，一類新的密碼算法—輕量級(jí)密碼算法應(yīng)運(yùn)而生。所謂輕量級(jí)，是指在設(shè)計(jì)密碼算法的過(guò)程中，充分考慮底層硬件運(yùn)行環(huán)境的特點(diǎn)，力求在達(dá)到最快速度與最

2、高效率的同時(shí)，滿足一定級(jí)別的安全性。輕量級(jí)分組密碼算法是物聯(lián)網(wǎng)中廣泛使用的算法，為保障物聯(lián)網(wǎng)正常、穩(wěn)定、安全運(yùn)作起著舉足輕重的作用。
　　在研究輕量級(jí)分組密碼算法的安全性時(shí)，作為算法中的非線性部件，S盒起著支撐整個(gè)算法安全性的作用。綜合考慮安全和效率的平衡，輕量級(jí)分組密碼算法一般使用4比特S盒，其中有一類特殊的S盒更是受到算法設(shè)計(jì)者的重視—自反S盒。所謂自反，是指一個(gè)輸入經(jīng)過(guò)兩次S盒后得到的結(jié)果仍然是本身。自反S盒能夠?yàn)槊艽a算法的

3、電路實(shí)現(xiàn)帶來(lái)空間及效率的優(yōu)勢(shì)，但其安全性仍需要進(jìn)一步的研究。
　　輕量級(jí)分組密碼算法在實(shí)際中面臨的狀況是復(fù)雜的，攻擊者可以輕易地接觸到整個(gè)密碼算法芯片，然后實(shí)施一類特殊的攻擊—差分功耗攻擊。該類攻擊通過(guò)采集密碼算法實(shí)際運(yùn)算中泄露的信息，結(jié)合統(tǒng)計(jì)理論進(jìn)行分析，從而快速地破解密碼系統(tǒng)。抵抗差分功耗攻擊的方法有多種，其中Nikova等人提出了一種保護(hù)S盒的門(mén)限實(shí)現(xiàn)方法—sharing。該方法結(jié)合秘密共享、門(mén)限密碼和安全多方計(jì)算來(lái)對(duì)S盒重

4、新進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠從理論上抵抗差分功耗攻擊。然而該方法的計(jì)算復(fù)雜度較高，在實(shí)際中難以應(yīng)用。因此，研究一個(gè)快速、有效、通用的S盒門(mén)限實(shí)現(xiàn)方法對(duì)設(shè)計(jì)安全的輕量級(jí)分組密碼算法具有重要意義。
　　隨著計(jì)算機(jī)性能的迅猛發(fā)展，研究者對(duì)密碼學(xué)分析加速的需求也越來(lái)越大。作為潛力巨大的硬件加速平臺(tái)，GPU顯卡具有成本低、并行計(jì)算能力強(qiáng)的特點(diǎn)。越來(lái)越多的科研機(jī)構(gòu)開(kāi)始利用GPU的通用計(jì)算能力處理非圖形繪制方面的科學(xué)計(jì)算研究。因此，密碼學(xué)分析與GPU相結(jié)合

5、成為了一個(gè)新穎的研究課題。結(jié)合GPU的并行計(jì)算來(lái)合理優(yōu)化密碼學(xué)分析中經(jīng)常需要的大量計(jì)算，能夠極大地提高分析效率，使得分析結(jié)果變得更加有效、可用。
　　本文重點(diǎn)研究輕量級(jí)分組密碼算法中4比特S盒的安全性，并結(jié)合GPU通用計(jì)算對(duì)分析的過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，取得了以下的進(jìn)展：
　　1.研究了4比特自反S盒的安全性，包括抗線性攻擊性質(zhì)、抗差分攻擊性質(zhì)以及almost-resilient性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)了4比特自反S盒能夠嚴(yán)格滿足抗線性攻擊的要求，

6、但不能夠嚴(yán)格滿足抗差分攻擊的要求，并指出almost-resilient性質(zhì)對(duì)于判別S盒安全性并不十分有效。本文還給出了一些安全的自反S盒供算法設(shè)計(jì)者參考和選用。
　　2.提出了一個(gè)可抵抗差分功耗攻擊的4比特S盒門(mén)限實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化搜索方法。該方法具有通用性，能夠適用于任意一個(gè)4比特S盒。本文成功地找到了常用輕量級(jí)分組密碼算法的S盒的門(mén)限實(shí)現(xiàn)，并分析了所有4特自反S盒的門(mén)限實(shí)現(xiàn)。
　　3.研究了GPU通用計(jì)算中的軟件流水線優(yōu)化技