分组密码的分析与设计

分组密码作为现代密码学的一个重要组成部分，是目前最重要和流行的一种数据加密技术，有着非常广泛的应用。此外，近年来分组密码或其组件还经常作为基础模块用于构造Hash函数，MAC算法等。因此对分组密码安全性的分析以及设计安全高效的分组密码算法，在理论研究及实际应用中都有着非常重要的意义。本文的研究内容主要包括两个方面：对现有常用分组密码的安全性分析，以及分组密码及其组件的设计。这两个方面是密不可分，相互融合的。通常都是利用算法存在的弱点或算法设计特点，提出新的密码分析算法。而在算法设计过程中，正是从密码分析获取经验，掌握设计算法的技巧和避免可能存在的缺陷。 本文首先对分组密码分析方法作了大量的调查和研究，在此基础上分析了一些国内外常用和有影响的分组密码，得到了一系列有价值的分析结果。并在密码分析工作的经验基础上，结合现有密码设计理论，在分组密码及其组件的设计方面做了比较深入的研究。本文的主要成果包括： (1) DES算法的分析。DES算法是迄今最重要的分组密码算法之一，目前在一些金融领域，DES和Triple-DES仍被广泛使用着。本文考察了DES算法针对Boomerang攻击和Rectangle攻击的安全性。通过利用DES算法各轮的最优差分路径及其概率，分别给出了这两种攻击方法对DES的攻击算法。 (2) Rijndael算法的分析。Rijndael算法是高级加密标准AES的原型。本文针对大分组Rijndael算法的各个不同版本，利用算法行移位和列混淆变换的一些密码特性，改进了原有的不可能差分攻击结果，极大的降低了攻击的数据和时间复杂度。同时还分别构造了一些新的更长轮的不可能差分路径，利用这些路径给出了一系列对大分组Rijndael算法的改进的不可能差分攻击，这些结果是目前已知的对该算法的最好攻击结果。 (3) SMS4算法的分析。SMS4算法是中国公布的用于无线局域网产品保护的算法。本文首先构造了SMS4算法的一类5轮循环差分特征，利用该特征分别给出了对16轮SMS4算法的矩阵攻击和对21轮SMS4算法的差分分析。随后考察了SMS4算法抵抗差分故障攻击的能力，基于字节故障模型，结合实验指出需要32次故障诱导来恢复全部密钥。后续的工作又进一步将结果改进为只需要进行一次故障诱导再结合2^{44}次密钥搜索即可恢复全部密钥。 (4) CLEFIA密码算法的分析。CLEFIA算法是索尼公司于2007年提出的用于产品版权保护和认证的分组密码算法。针对CLEFIA算法，本文构造了一条概率为1的5轮截断差分特征，再结合其扩散矩阵的密码特性构造了一条3轮线性逼近。随后利用这两条路径组成的8轮差分-线性区分器，给出了对10轮CLEFIA算法的有效的差分-线性攻击。 (5) 分组密码结构的设计及其应用。本文提出了两种新的分组密码结构，并指出了其与原有结构相比的优势，同时分别评估了这两种结构针对差分分析和线性分析等常用密码分析方法的安全性。基于这两个密码结构，结合部分密码组件的设计和测试工作，本文还完成了两个分组密码算法的概要设计，并简要评估了它们的实现效率及针对现有的几种主要密码分析方法的安全性。