文獻標識碼： A
DOI： 10.20044/j.csdg.2097-1788.2022.03.007
引用格式： 劉健，畢鑫杰，李艷俊，等. 典型密碼結構的不可能差分區分器研究[J].網絡安全與數據治理，2022，41(3)：40-47.
0 引言
1949年Shannon發表了經典論文“Communication Theory of Secrecy System”[1]，該文從抵抗攻擊的角度出發，提出了加密算法的“混淆”和“擴散”準則。混淆和擴散成功地實現分組密碼明文、密鑰和密文之間呈現多種偽隨機性質，因而成為現代分組密碼設計的重要原則之一。進一步，Shannon還在文章中介紹了代替(Substitution)-置換(Permutation)網絡(簡稱SPN)，其主要是基于代替S盒和P置換兩種最基本組件的密碼運算，又叫做混合變換(mixing transfor-mations)。不同的混合變換組合成了不同的整體結構，以實現“混淆”和“擴散”的目標。目前分組密碼中比較主流的整體結構有Feistel結構、SP結構、廣義Feistel結構、MISTY結構等。
隨著分組密碼設計與分析的發展，一方面算法結構方面的研究越來越細化，比如Feistel-SP組合結構、ARX結構、基于邏輯單元設計的整體結構等[2-4]；同時，以往主要用于分組密碼的整體結構越來越廣泛地應用于網絡空間安全領域的數據快速加密認證體制中，如序列密碼設計、Hash函數設計以及認證加密算法設計等，最具代表性的是2018年NIST發起的輕量級認證算法征集活動，第一輪候選算法廣泛采用了這些整體結構。另一方面對結構的安全性分析和證明也有了豐富的成果[5-9]。與差分分析、線性分析相比，不可能差分區分器基于截斷差分構建，對于差分性能較好的算法攻擊效果更好，如對CLEFIA的攻擊可以達到13輪[10]，對Camellia的攻擊最長可以達到14輪[11]；然而，密碼學者們更多地關注具體密碼算法的不可能差分安全性，對于一般的結構安全性分析證明較少，以至于新的密碼算法設計會出現結構方面的安全隱患，比如2019年全國密碼設計競賽中候選算法TASS1[12]，基于廣義Feistel結構設計，并且采用了隨機密鑰池保證安全性，但是由于未對整體結構進行評估，導致了存在全輪不可能差分區分器[13]。因此，隨著信息安全技術及其應用的快速發展，不管是現在還是將來，密碼結構安全始終是密碼算法安全的首要保障。
本文對Feistel結構、SP結構、廣義Feistel結構、MISTY結構四種主要整體結構進行了介紹和研究，重點對廣義Feistel結構的TYPE-I型、TYPE-II型和TYPE-III型進行了詳細分析，基于這些結構的特點構建了不可能差分區分器，進一步給出了詳細證明過程。本文研究希望能夠為網絡空間安全領域分組密碼、序列密碼、Hash函數、認證加密等對稱密碼結構的設計與分析提供參考。
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作者信息：
劉 健1，畢鑫杰2，李艷俊1，2，金 達1
(1.中國電子科技集團公司第十五研究所 信息產業信息安全測評中心，北京100083；
2.北京電子科技學院 密碼科學與技術系，北京100070)
