分组密码是密码学的重要分支.数据加密标准DES的破译与高级加密标准AES的选用对分组密码算法的设计理论与分析理论产生了巨大推动.近几年来,在欧洲序列密码标准的征集活动ECRYPT计划和美国Hash函数标准的征集活动SHA3计划中,越来越多的序列密码和Hash函数都采用了分组密码的设计思想.分组密码设计理论的日渐成熟,对分组密码的分析提出了新的挑战,与此同时,设计理论也亟需新的分析结果来获得更大发展.本文研究了分组密码的不可能差分分析、相关密钥分析、积分分析和差分故障攻击的基本原理,利用这些分析方法对Feistel型密码、修正的Lai-Messay型密码、SPN型密码等算法进行有效地分析,获得了一些新的结果.本文的第一部分利用不可能差分分析方法对Feistel结构与Lai-Messay结构的分组密码进行有效分析.得到了以下几方面的结果:(1)研究了具有SP型轮函数和SPS型轮函数,并且线性层P定义在F2n×n上的Feistel结构.这两种结构在当前非常流行,代表密码为欧洲分组密码标准Camellia和AES候选算法E2.已知结果表明,当轮函数为双射时,Feistel密码存在5轮不可能差分.利用中间相遇法,本文得到了SP型轮函数Feistel密码存在6/7/8轮不可能差分的充分条件: P⊕P?1中汉明重量大于1的列对应着某些6轮不可能差分;通过统计P和P?1在某些特定位置上1的个数可以确定某些7轮不可能差分,通过计算P的某个子矩阵的秩,可以判断8轮不可能差分.我们设计了两个P置换,使用该P置换的Feistel-SP结构不存在上述8轮不可能差分,并且分支数达到最大.SPS型轮函数Feistel密码的6轮不可能差分也可以通过计算P的某个子矩阵的秩来确定.这些结果表明,当设计Feistel密码组件时,为使其能够抵抗不可能差分分析,应该慎重地选择线性层.(2)找到了AES候选算法E2密码的一组6轮不可能差分,对已知结果改进了一轮.基于新的6轮不可能差分,评估了E2密码抵抗不可能差分分析的能力,结果显示不包含初始变换和末端变换的7轮E2-128/192/256和8轮E2-256对不可能差分分析是不免疫的.(3)对修正Lai-Messay结构的FOX系列密码进行研究,结合线性层的性质,找到了FOX的4轮不可能差分,基于这些4轮不可能差分,利用空间-时间权衡技术,给出了对5/6/7轮FOX64以及5轮FOX128的分析结果.本文的第二部分研究相关密钥模型下分组密码的安全性.得到了以下两个结果:(1)研究了SPN结构的分组密码Crypton对相关密钥不可能差分分析的免疫性.通过分析Crypton密码的密钥扩展算法,构造了Crypton的6轮相关密钥不可能差分区分器,利用该区分器,结合线性层的性质,给出了对9轮256比特密钥的Crypton的攻击结果,该攻击可以恢复出Crypton的第9轮的全部密钥字节。(2)研究了韩国Hash标准HAS-160在加密模式下的安全性,HAS-160加密模式可以看作一个具有512比特密钥、160比特明文的分组密码,以前最优的分析结果是基于一个71轮的概率为2?304的相关密钥矩形区分器,通过更细致地研究HAS-160的性质,并引入比特固定技术,本文构造了一个概率为2?290的72轮相关密钥矩形区分器,利用这一区分器,对HAS-160的全部80轮给出了两个攻击方案,改进了已有的分析结果.本文的第三部分研究积分区分器的构造.首先,利用Z’aba基于比特的积分思想,构造了具有256比特分组长度的Rijndael密码新的3轮积分区分器,该区分器只需要32个选择明文,与传统的Square区分器需要256个选择明文相比,明文量大大减少了.其次,利用高阶差分的理论,将密文看作关于明文的布尔函数,利用布尔函数的代数次数理论研究了积分区分器的构造与证明,分别以Rijndael密码和Present密码为例,将基于字节的积分方法与基于比特的积分方法统一到代数次数上来,丰富了积分攻击的理论.最后给出了6轮SMS4结构代数次数的一个上界,该上界远小于理想分组密码的代数次数.本文的第四部分提出了对欧洲标准SHACAL-2密码的差分故障攻击,SHACAL-2密码为广义Feistel结构,通过研究算法的迭代结构,采用面向字的故障诱导模型,在倒数第二轮诱导故障,结合差分分析技术,可以恢复出算法的轮密钥.在PC机上的模拟结果显示,恢复出一个32比特的轮密钥平均需要8个随机错误,结合密钥扩展算法,完全恢复出512比特密钥大约需要128个错误密文.该结果显示了硬件故障对SHACAL-2算法的安全性具有很大潜在危险.