轻量级分组密码的唯密文故障分析研究

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随着信息技术与计算机技术的快速发展,物联网作为信息技术的第三次革命已经逐步深入到我们生活中的各个领域。由于物联网中的计算设备资源有限,传统的密码算法已经不能解决该领域中的安全问题,由此轻量级分组密码算法应运而生。轻量级分组密码算法具有执行效率高,资源消耗少,吞吐量低和软硬件实现效率高等优点,在物联网的安全领域发挥着重要的应用,因而其安全性分析已成为密码学研究的主流。故障分析应用于密码算法的安全性分析中,它借助微波辐射、激光照射、涡流磁场等物理方法改变正常的加密过程使其得到错误的结果,从而对密码算法进行有效的破译。其中唯密文故障分析是现有的唯一可以在唯密文条件对密码算法进行攻击的一种技术,通过导入故障,得到错误密文与中间状态值,从而推导出正确的原始密钥。LBlock算法是在2011年ANCS会议上提出来的一种轻量级分组密码算法。在密码算法的唯密文故障攻击研究中,目前没有正式发表对于Feistel结构的唯密文故障分析研究。本文首次提出了针对Feistel结构的LBlock密码算法的新型唯密文故障分析方法,通过在算法的倒数第四轮导入故障,分别使用6种区分器对算法进行分析。在原有的SEI区分器、GF区分器、GF-SEI双重区分器、MLE区分器基础上,本文提出了GF-MLE双重区分器和MLE-SEI双重区分器作为新型区分器。仿真实验结果表明,可以使用较少的故障数在较短的时间内以99%的概率成功恢复出主密钥并破译算法,其中提出的两种新型区分器比原有区分器所需故障数更少,效率更高。由此说明唯密文故障攻击对LBlock算法的安全性构成了巨大的威胁。该研究成果为同类型的其它轻量级分组密码标准的安全性分析提供了重要参考。SIMON密码算法是美国国家安全局在2013年所提出的一种典型的Feistel结构的轻量级分组密码算法。本文对SIMON密码算法进行了唯密文故障攻击。在随机半字节故障模型下导入随机半字节故障产生错误密文,对每个错误密文解密生成中间状态,利用统计学的知识分析中间状态的分布。在该算法中,除了使用LBlock算法中的6种区分器,还提出了4种新型区分器,分别是GF-MAP双重区分器、HW-MLE双重区分器、GF-HW双重区分器和HW-MAP双重区分器。研究结果表明,SIMON密码算法不能抵抗唯密文故障攻击,为其他类似结构的算法提供了重要的借鉴。本文对LBlock密码算法和SIMON密码算法抵御唯密文故障攻击进行了安全性分析,为唯密文故障攻击Feistel结构的密码算法提供了重要的参考价值。
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