更具实际意义的对称密码可证明安全理论研究

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对于一个实际使用的对称密码体制或密码结构,我们希望确定它所能提供的安全性。总的来说,存在两种不同的技术思路,即分别为密码分析和可证明安全分析。这两种不同的技术思路,将分别给出研究对象的安全性上界和安全性下界。密码分析还可进一步细分为具体攻击和通用攻击。其中具体攻击的对象一般是现实密码,在其攻击过程中需考虑目标密码的具体实现以及算法细节。而通用攻击则与可证明安全分析联系紧密,其研究对象一般为抽象层面的密码结构,而在该结构中并不太关注具体的实现细节。相对应地,对称密码中的可证明安全分析旨在从抽象的理论层面,去解释一个密码体制或密码结构的内在安全性。其中常用的研究方法是先将一个实际的密码体制或结构抽象成某种合理的理论模型,然后再对该理论模型进行安全性分析。一般地,此类理论模型是定义在某些密码假设下的,例如假定其组成子部件为相互独立的随机函数/置换等等。但不幸的是,这些密码假设往往过于理想化,从而与现实中的情况存在巨大的间隙。其中最常见的问题主要有两种:一种是假设各密码子部件之间是相互独立的,而该假设与实际中所使用的密码严重脱节。另一种是某些重要的对称密码可证明安全结果目前仅在信息论模型下得到,而此类结果对于实际密码的借鉴意义不大。为发展出更多用于突破上述两种关键问题的理论与技术,本论文从以下两个课题切入并分别进行了深入的研究:1.对3KACSP结构的紧致安全界分析。在该课题中,我们系统地研究了所有轮置换相同的密钥轮换密码结构(简称为KACSP结构),这是现实中分组密码的一种常用构造方法。为了分析该种结构,我们提出了一套全新的表示法用以更好地刻画其内在蕴含的数学问题。在该表示法的基础上,我们抽象出了一类全新的组合问题。而上述密码结构的安全性,正好可以归结为求解该类组合问题。同时,我们还提出了一个通用的求解框架,该框架理论上可以求解该类组合问题的所有实例。最后,我们利用此通用框架成功得到了 3轮KACSP结构在随机置换模型下的紧致安全界。这是业界首个关于超过2轮带相依性密钥轮换密码结构的紧致安全界。2.类Feistel结构关于nCPA-to-CPA安全性放大问题的反例构造。在该课题中,我们系统地研究了计算意义下的nCPA-to-CPA安全性放大问题,并成功给出了关于类Feistel结构的两个否定结果。我们先对已有的反例结果进行了回顾和剖析,发现它们之间缺少共性的理念和技术进行连结。为此,我们抽象并提炼出了一套全新的概念以及思考方式用来刻画这类反例结果。在此基础上,我们给出了构造nCPA-to-CPA安全性放大问题反例的高层次框架,从而极大地简化和拓展了该类反例的构造工作。利用该框架以及对类Feistel结构新的发现,我们成功构造了比现有结果更复杂结构的反例。根据上述提到的新技术理念以及构造更复杂反例的经验,我们详细分析了两个已有反例结果的构造,并首次给出了 Maurer等人(EUROCRYPT 2006)所构造反例的内在设计逻辑。以上所有研究工作对于理解计算意义下的适应性安全有着重要的意义。
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