两种广义Feistel结构及SM4的高阶差分分析

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Feistel结构以发明者Horst Feistel命名,是密码学中的一种对称结构,广泛应用于DES等多种分组密码中,因其加脱密过程相似,大大降低了编码量和线路传输的要求。由于现阶段计算能力较高,Feistel结构密码的安全性受到了挑战,为了满足更高的安全性,密码长度必须增加。针对该问题,郑玉良等人提出三种广义Feistel结构。SM4密码算法是我国自己的商务密码算法,其加脱密过程完全相同,资源利用率高且易于软硬件实现。对这些结构的研究具有非凡意义和实用价值。本文所研究的含有广义Feistel结构的分组密码及SM4的迭代次数和代数次数并不高,所以高阶差分攻击对它们是有效的。在本文中,我们将关注点放在高阶差分攻击上,分别选取第二种和第三种广义Feistel结构及SM4为原结构,以其等价结构为基础,考虑单、双SP模型的优劣性。主要的研究内容和结果为:(1)首先通过将两个轮函数取逆之后调至合适位置,给出type-2广义Feistel结构的一个等价结构,用等价结构代替type-2广义Feistel结构,构造出新的高阶差分区分器。在观察两种结构代数次数上界的具体计算结果之后发现,原始结构进行5次迭代运算后的上界值,等价结构进行6次才会达到,其上界更紧。然后分别针对轮函数中替换置换模型为单SP模型和双SP模型的情况,利用所给出的等价结构,分析区分器的具体性能表现。接着,分别在单SP模型和双SP模型下,估计其正向和逆向代数次数上界,并对其增长情况进行了分析,根据区分器结构特点,给出非平凡轮数明确的代数表达式。通过将具体参数代入所得表达式中进行计算,由计算结果发现,在两类区分器下采用单SP模型更有优势。(2)通过将3个轮函数取逆之后调至合适位置,给出type-3广义Feistel结构的一个等价结构,进而构造出一个区分器。通过比较发现等价结构估计的第3个字代数次数上界比原结构更紧。针对三个轮函数中替换置换模型为单SP模型和双SP模型的情况,利用所给出的等价结构分别与两轮高阶积分路径及逆向路径结合,构造出两种区分器。将具体参数代入后同样发现,当两类区分器面对高阶差分攻击时,单SP模型都比双SP模型具有更高的抵抗能力。(3)利用相同的方法对SM4密码算法进行分析。首先给出SM4结构的等价结构,基于该等价结构构造区分器。通过计算发现,就代数次数上界而言,原始结构5轮后的值与等价结构6轮后的值一致,等价结构更紧。然后分别针对轮函数中有一层和两层SP层的情况,构造出两种区分器,并分析具体参数下两类区分器的代数次数上界增加情况及其非平凡轮数。由分析结果发现,对于两种区分器来说,选取单SP模型无疑是一种好的选择。
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