輕量級加密算法mCrypton的不可能差分分析

李悅++朱光亞 甘楠 王高麗

摘要： 物聯(lián)網(wǎng)和RFID等設(shè)備的普及給密碼學(xué)提出了新的要求，為了能夠在資源受限的傳感節(jié)點上實施通信保護和隱私保護，大量輕量級加密算法被提出。mCrypton是明文分組長度為64 bit的輕量級分組密碼算法，共有3種可用密鑰長度：64 bit、96 bit和128 bit。本文提出了針對mCrypton-96的4輪mCrypton不可能差分路徑和7輪mCrypton的不可能差分分析，同時利用了mCryption 的S盒性質(zhì)和密鑰生成算法的弱點對不可能差分分析進(jìn)行了改進(jìn)，實驗結(jié)果表明和傳統(tǒng)的差分分析相比，本文提出的不可能差分分析方法降低了攻擊的時間復(fù)雜度和數(shù)據(jù)復(fù)雜度。

關(guān)鍵詞： 不可能差分分析； 分組密碼算法； 密碼算法分析； mCrypton

中圖分類號：TP309

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-2163（2017）04-0017-04

0引言

作為當(dāng)今首要流行的信息保護手段，分組密碼算法的應(yīng)用范圍也日趨廣泛，同時隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)和RFID的高度普及，當(dāng)這些輕量級硬件需要對安全通信和數(shù)據(jù)提供保護時就會使用輕量級加密算法，近年來則已陸續(xù)推出眾多的輕量級加密算法，諸如：mCrypton、SIMON、LED、Zorro、mCrypton、PRESENT、Piccolo、Klein、XTEA、DESL、HIGHT、CLEFIA、Twine、KATAN 和 KTANTAN等。在此基礎(chǔ)上，也有更多的專家學(xué)者轉(zhuǎn)而致力于展開了對輕量級分組密碼的分析方法的研發(fā)設(shè)計。除了經(jīng)典的差分分析，中間相遇攻擊、不可能差分分析、積分分析、相關(guān)密鑰攻擊、滑動攻擊和零線性相關(guān)分析也開始紛紛應(yīng)用在各種輕量級分組密碼算法上。本文的分析目標(biāo)是mCrypton算法，該算法是由Lim等人在2006年提出的一個適用于RFID和小型傳感器節(jié)點的輕量級分組密碼算法[1]，這是一個分組長度為64 bit的分組密碼算法，根據(jù)密鑰長度的分類有3種版本：64 bits、96 bits和128 bits，而將其應(yīng)用在硬件條件受限制的情況時，可以根據(jù)具體場景選擇合適的密鑰長度。例如在RFID的應(yīng)用中，因其對讀寫速度和信息加解密速度呈現(xiàn)出極高要求，即需依據(jù)硬件條件選取一種具有最佳適應(yīng)性的版本。另需提及，對mCrypton的研究成果可參見文獻(xiàn)[2-7]。

不可能差分攻擊是差分攻擊的變種之一。研究可知，與經(jīng)典的差分分析利用高概率差分來恢復(fù)密鑰的情況相反，不可能差分攻擊是利用排除那些導(dǎo)致概率為0的差分出現(xiàn)的密鑰，重點是基于正確的密鑰加密后的密文不會出現(xiàn)這樣的差分。這一理論是由Knudsen和Biham分別論述并先后提出的[8-9]，Knudsen在對DEAL的算法進(jìn)行安全性分析時，發(fā)現(xiàn)該算法存在天然的5輪不可能差分，從而對6輪DEAL算法的安全造成威脅。1999年，Biham等人在研究Skipjack算法時提出了不可能差分這個概念[10]，在其中解釋了如何采用中間相遇攻擊尋找不可能差分。輕量級分組密碼出現(xiàn)之后，不可能差分攻擊對該類算法的分析研究也取得了一系列成果進(jìn)展，例如王慶菊等人在2014年利用不可能差分分析成功地實現(xiàn)了對SIMON32和SIMON48的攻擊[11]。文獻(xiàn)[12]中，Yukiyasu等人使用不可能差分分析探討了CLEFIA算法。文獻(xiàn)[13]中運用不可能差分分析對LBlock、SIMON、CLEFIA和Camellia算法獲得了滿意的研究效果。

綜上論述可知，本文參考4輪AES不可能差分路徑和7輪AES不可能差分分析攻擊，研究提出了4輪mCrypton的不可能差分路徑和7輪mCrypton不可能差分分析，并使用S盒性質(zhì)和mCrypton的密鑰生成算法的弱點，最終得出的時間復(fù)雜度為257次7輪mCrypton加密，空間復(fù)雜度為249.3個字節(jié)，數(shù)據(jù)復(fù)雜度為254.3個明文。endprint