流密码算法设计与分析机械化方法研究

With the rapid development of satellite communication network, internet of things and mobile communication network, requirements of applications in those networks for stream ciphers with high security, high performance, low power consumption and low cost become more and more urgent. Most traditional stream ciphers are bit-oriented and are hard to be designed to meet requirements of nowadays communication applications since both throughputs of their output bits and performances of software implementations are very low. How to design mordern novel stream ciphers suitable for the above mentioned environments is one of the key and urgent problems in stream ciphers.This work will study the following topics: standardization method of design and analysis mechanization methods of stream ciphers. Its goals are that: 1) present a novel lightweight stream cipher meeting high security, high performance, low power comsumption and low cost; 2) provide a fast algorithm of solving certain sparse nonlinear equations; 3) set up theories of analysis mechanization methods of stream ciphers and software tools for automated analysis of stream ciphers.

随着卫星通信网、物联网和移动通信网的飞速发展，各种相关应用对高安全、高效率、低功耗和低成本的流密码体制的需求凸显。传统的流密码体制大多面向比特设计，输出密钥比特吞吐率低，且软件实现效率差，已经很难满足现代网络应用的需求。因此研制适合此类环境的现代新型流密码算法已经成为当前流密码领域中急需解决的关键问题之一。本项目拟围绕流密码的标准化设计与分析机械化方法等问题展开重点研究。旨在1) 提出流密码新型设计模型，为卫星通信网和物联网中的相关应用提供同时具备高安全、高效率、低功耗、低成本的新型流密码算法； 2) 给出一类稀疏非线性方程组的快速求解算法； 3) 建立流密码分析机械化方法的相关理论和分析机械化软件包。

随着卫星通信网、物联网和移动通信网的飞速发展，各种相关应用对高安全、高效率、低功耗和低成本的轻量级密码体制的需求凸显。如何在安全、效率以及成本之间折衷是轻量级密码体制设计的关键问题。本项目主要围绕轻量级流密码的标准化设计与分析机械化方法等问题展开重点研究，在安全可控、可验证的流密码设计，基础部件构造理论以及分析方法等方面均已经取得一系列重要的关键性成果。具体而言，主要包括：a) 在算法设计方面，提出了龙转风流密码模型，并借鉴分组密码宽轨迹设计思想，采用密码学性质良好的S盒和扩散效果最优的MDS矩阵，研制了安全可控、可验证的带认证的龙转风流密码算法；b) 在基础部件构造理论方面，证明了有限域上迹逆函数代数免疫度猜想；推广了butterfly结构，并证明了其差分均匀性不超过4，且非线性是最优的，从而彻底证明了Perrin等人提出的有关butterfly结构最优非线性度猜想；研究了目前几乎所有4差分置函数为对合置换的条件，并给出了一些新的4差分对合置换S盒；构造了3类特殊的完全置换单项式，5类特殊情形的完全置换多项式以及一些满足特定条件的完全置换多项式；首次构造了除Dickson多项式外的两类新的递归置换多项式，并可以构造出任意指定项数的置换多项式；量化了布尔函数差分非平衡性和ambiguity指标之间的关系，并给出了经典4阶walsh谱下界的一个改进结果；c) 在算法分析方面，给出了FASER128和FASER256的实时状态恢复攻击和伪造攻击，量化了ACORN v2和v3抗故障攻击的强度，并彻底攻击了一类8D自同步混沌流密码体制；d) 最后初步建立了对称密码自动化分析软件平台。