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随着信息技术的高速发展,物联网成为新一代信息化浪潮的典型代表。然而,使用传统对称密码算法解决物联网领域日益突出的数据安全问题遇到了困难,其主要原因是物联网上使用的应用组件不同于传统的台式机和高性能计算机,它采用计算能力相对较弱的微型计算处理设备,而这类设备的运算存储能力有限。在这种情况下,轻量级对称密码算法受到人们的广泛关注。与传统对称密码算法相比,轻量级对称密码算法的计算资源消耗少,适合应用于计算能力有限的微型计算设备如RFID标签等。本文致力于轻量级对称密码算法的研究与设计,以三种广义对称密码(分组密码、Hash函数和流密码)的基本原理为研究背景,以密码设计为研究重点,以密码分析为支撑,结合轻量级的环境需求,并运用轻量级对称密码的设计技巧,主要从以下三个方面展开了研究:(1)设计了基于双伪随机变换的轻量级分组密码算法VH和VHF,分别采用SPS结构和Feistel结构。VH的分组长度为64比特,支持长度为64、80、96、112和128比特的密钥;VHF的分组长度为128比特,密钥长度为80和128比特。VH和VHF的安全评估结果表明,它们对已知的攻击实现足够的安全性,如差分分析、线性分析和不可能差分分析。与现有的轻量级分组密码进行对比,VH和VHF的软硬件效率都高于同为面向8位平台的国际标准CLEFIA。(2)设计了一种轻量级Hash函数HVH,采用Sponge迭代结构,压缩函数采用VH型算法。为了用于不同的受限环境和安全级别,HVH提供了5种不同长度的消息摘要。通过对HVH族Hash函数进行软硬件效率测试分析,结果表明HVH-88的软件效率为1.47Mb/s,效率是同样应用于RFID环境的SPONGENT-88的10倍,HVH-88硬件实现需要1129GE,与SPONGENT-88的1127GE硬件实现相当。线性分析、差分分析、不可能差分分析以及抗原像、抗第二原像和抗碰撞分析表明,HVH满足轻量级密码的安全需求。(3)设计了轻量级流密码VHFO和VHFC,分别采用分组密码的OFB和CTR工作模式构造密钥流。VHFO和VHFC的初始向量长度为128比特,密钥流块的长度为128比特。VHFO和VHFC的安全评估结果表明,它们对已知的攻击实现足够的安全性。与现有的轻量级流密码进行对比,VHFO和VHFC的软硬件效率都高于轻量级流密码WG-7。