分组密码算法的密钥编排方案研究

Cryptographic algorithms play fundamental roles in information security. Among all cryptographic algorithms, block ciphers are widely used in the field of practical security. Design and cryptanalysis of block ciphers have been a hot research topic over decades. However, as one of the significant modules in block ciphers, key schedules have not received enough attention in the cipher design. Many recently found attacks are based on the weaknesses of key schedules, reminding us of the fact that the effect of key schedules on the attacks was overly neglected in the past， and showing the need for scientific design principles that can help to avoid weaknesses in the key schedule. In this project, we will explore what the roles a key schedule play in the cryptanalytic techniques, and the principles of how the weaknesses of key schedules work in the attacks. Especially, we will investigate the relationship between the key-schedule and the cipher round-function. With such knowledge, we can obtain more precise and efficient methods for analyzing security of cryptographic algorithms, develop efficient software tools to detect flaws in key schedules. Moreover, we will be dedicated to find necessary and sufficient design principles for key schedules, and study how to design more secure but low cost key schedules, so that to provide scientific foundation for the design of secure and efficient block-cipher algorithms.

密码算法是信息安全的基石。分组密码算法在实际中应用广泛，其设计和安全评估一直是密码学者研究热点。但对于其中重要的组成模块- - 密钥编排方案的研究则相对较少。近年来利用密钥编排方案弱点的攻击的频繁出现，表明我们在过去过多地忽视了密钥编排方案在攻击中的作用。相应的，在设计安全合理的密钥编排方案方面也存在大量空白。 本项目主要研究分组密码的密钥编排方案对算法安全性的影响，从密钥编排方案的角度，特别是密钥编排与算法轮函数的相关性出发，精确刻画密钥编排方案的弱点导致实际攻击的一般规律。在此基础上，获得更准确有效的密码算法安全性分析手段，设计并实现能自动检测密钥编排方案弱点的工具，对现有的主流分组密码进行检测分析。针对未来算法效率和安全性需求的发展趋势，提出密钥编排方案应满足的条件和设计准则。在保证算法执行效率的基础上，构造更加安全有效的密钥编排方案，为分组密码算法的设计提供更为安全合理的科学依据。

本项目主要研究分组密码的密钥编排方案对算法安全性的影响，从密钥编排方案的角度，特别是密钥编排与算法轮函数的相关性出发，探索攻击手段；精确刻画密钥编排方案的弱点导致实际攻击的一般规律；设计并实现能自动检测密钥编排方案弱点的工具，对现有的主流分组密码进行检测分析。针对未来算法效率和安全性需求的发展趋势，提出密钥编排方案应满足的条件和设计准则。在此基础上,构造安全合理的密钥编排方案。.刻画了密钥编排方案与轮函数相关性对密码算法安全性的影响，优化了部分现有攻击，提出了新的攻击；给出了合理的密钥编排方案设计准则，重新设计了部分轻量级分组密码的密钥编排方案；明确了密钥编排方案对密码算法统计属性的影响，研究了“零”密钥编排方案、独立轮密钥编排方案和现有各类密钥编排方案对分组密码的差分链概率、线性逼近式概率、多线性容量等重要密码学统计属性的影响.我们考察了目前为止多数利用密钥编排方案弱点对分组密码实施攻击的例子，发现了以下现象：密钥编排方案扩散层与轮函数扩散层存在相互作用，使得密钥比特在加密过程中所起的作用被削弱了.我们把研究重心放在密钥编排方案和轮函数的扩散层结构上，通过研究它们扩散层的相互作用关系，得出一个必要合理的密钥编排方案设计准则..对于AES（分组密码标准），我们已经提出了一个改进的密钥编排方案，该方案通过仅对原有方案进行行列转置，就可极大地提高AES的安全边界.我们提出了一个用于检测轻量级分组密码密钥编排方案弱点的多项式复杂度算法。