可调认证加密方案的设计与分析

A tweakable authenticated encryption mode is an authenticated encryption mode based on tweakable ciphers. It provides both privacy and authenticity, and has important theoretical significance and application values. This project focuses on some existing key scientific problems. Firstly, birthday-bound security is always the bottleneck of tweakable authenticated encryption modes, thus we propose a tweakable authenticated encryption mode with beyond-birthday bound security. Then, multi-user security has received extensive attention in recent years. It is an extremely important subject to analyze the multi-user security of tweakable authenticated encryption modes. Therefore, we propose a tweakable authenticated encryption mode with multi-user security. Besides that, multi-key security and related-key security play an important role in the design and analysis of tweakable authenticated encryption modes. Therefore, we describe a multi-key and related-key secure tweakable authenticated encryption mode. Finally, considering the open problem presented by Rogaway et al. whether there exists an efficient way to fix COPA to be integrity under the releasing unverified plaintext setting, we provide a new structure -- a variant structure of intermediate checksum.

可调认证加密方案即是以可调密码为本原设计的认证加密方案，它既提供了机密性服务又提供了真实性服务，具有重要的理论意义和应用价值。本项目着力解决可调认证加密方案研究过程中所遇到的一些关键科学问题。首先，生日界一直是可调认证加密方案的安全瓶颈，于是提出了一个抗生日界安全的可调认证加密方案。其次，多用户安全近年来受到了广泛关注，分析可调认证加密方案的多用户安全是一个极其重要的课题，因此提出了一个多用户安全的可调认证加密方案。而且，多密钥以及相关密钥安全对于可调认证加密方案的设计与分析具有重要作用，于是提出了一个多密钥以及相关密钥安全的可调认证加密方案。最后，针对Rogaway等人给出的开放性问题——是否存在一种有效的方式修复COPA方案在释放未被验证的明文设置下的完整性安全，提出了一类新的设计结构——中间校验和变体结构。

可调认证加密方案是基于可调密码设计的认证加密方案。国内外对可调认证加密方案设计与分析非常活跃，不断有新的成果涌现出来。尤其是凯撒竞赛，聚焦了全球该领域专家的目光，产生了一些别具匠心的设计思想和优秀方案。..本项目深入研究可调认证加密方案的本原即可调密码，给出了基于置换可调Even-Mansour密码的通用构造，使用H-coefficients技术证明了构造的单密钥与多密钥安全性，并应用到可调认证加密方案中。深入聚焦抗生日界安全问题以及抗误用安全问题，基于可调压缩函数提出了一个面向大数据处理且抗生日界安全的可调认证加密方案，证明了其支持nonce误用情况下生日界安全和nonce-respecting情况下的抗生日界安全的多层级安全性，并给出了安全哈希算法SHA-256下的实现实例。基于轻量级设备实现代价问题，提出了一个基于置换的具有并发性处理明密文和附加数据、支持nonce误用和抗生日界安全的改进认证加密方案。进一步地，基于置换函数，以两轮Even-Mansour密码为跳板，结合中间校验和技术，设计了一个抗生日界安全且INT-RUP安全的轻量级认证加密方案。聚焦可调认证加密方案的优化，提出了一个支持nonce容错和抗生日界安全友好降解的GCM-SIV2优化方案以及四个基于最小化密钥Even-Mansour结构的可调认证加密方案。针对2021年Shinagawa和Iwata遗留的开放性问题，使用Simon、Grover和Grover-meet-Simon算法对单密钥设置下SoEM变体方案进行了量子密钥恢复攻击。这对于可调密码以及可调认证加密的抗量子密码设计与分析具有重要的参考价值。..综上所述，本项目开展可调认证加密方案的设计与分析研究，不但具有重要的科学理论价值，而且对于推动我国信息安全产业在该领域的密码体制标准化有着极其重要的现实意义。.