DWB-AES：基于AES 的動態(tài)白盒實現(xiàn)方法

王濱，陳思，陳加棟，王星

（1.浙江大學電氣工程學院，浙江 杭州 310058；2.中國電科集團52 所?？低暰W(wǎng)絡(luò)與信息安全實驗室，浙江 杭州 310053）

1 引言

由于物聯(lián)網(wǎng)感知層的設(shè)備受到軟硬件資源的各種限制，而傳統(tǒng)的密碼技術(shù)需要消耗較多的資源，從而導致傳統(tǒng)的密碼技術(shù)手段很難直接應(yīng)用到感知層設(shè)備。白盒密碼作為一種軟密碼模塊，與傳統(tǒng)的密碼技術(shù)不同，能夠隱藏密鑰信息、極大地提高物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全性，同時能夠大幅降低成本，非常適用于對成本敏感的感知層設(shè)備。

白盒密碼顛覆了傳統(tǒng)密碼學對攻擊者能力的諸多限制，且應(yīng)用的成本較低，所以更適合應(yīng)對實際中的安全威脅。目前，白盒密碼已經(jīng)在數(shù)字版權(quán)保護管理、云上數(shù)據(jù)軟件加解密、移動智能終端信息加密保護等方面得到了較廣泛的應(yīng)用，引起了學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。

白盒密碼學的概念由Chow 等[1]提出，同時Chow 等[2]通過查找表的方式實現(xiàn)了數(shù)據(jù)加密標準（DES,data encryption standard）和AES[1]的白盒密碼算法。然而，文獻[3-4]中提出了對Chow 等白盒DES 算法的有效攻擊方法。Billet 等[5]給出了對Chow 等白盒算法的攻擊方法，被稱為BGE 攻擊。在BGE 攻擊被提出之后，Xiao 等[6]利用更大的線性編碼設(shè)計了能抵御BGE 攻擊的AES 白盒密碼算法。然而Mulder 等[7]以230的時間復雜度提取了Xiao-Lai 白盒算法[6]的密鑰。為了抵御Mulder 等的攻擊，文獻[8]在Xiao-Lai 白盒算法的基礎(chǔ)上，通過增加非線性編碼的方式設(shè)計了新的AES 白盒算法。此外，Karroumi[9]通過引入二元密文的方式實現(xiàn)了AES 白盒密碼算法，但是隨后由Mulder[10]攻破。Biryukov 等[11]提出了基于ASASA（affine-substitution-affine-substitution-affine）結(jié)構(gòu)的多變量密碼體系，并設(shè)計了基于ASASA 結(jié)構(gòu)的白盒密碼方案，通過插入擾亂項來抵抗攻擊。文獻[12]以分組密碼算法為底層模塊，設(shè)計了基于底層分組密碼算法安全性[13]的白盒密碼。文獻[14]設(shè)計了類AES 的白盒算法。文獻[15]設(shè)計了一種基于SM4 的白盒算法。此外，近年來還有其他密碼算法的白盒實現(xiàn)被研究和設(shè)計[16-18]。但是相比于其他白盒實現(xiàn)思路，基于查找表的白盒方案計算相對簡單、占用空間較小、計算效率更高。

由于白盒密碼是軟件實現(xiàn)的，因此可以很好地滿足對成本和安全都有較高要求的場景，但是當前白盒密碼技術(shù)存在以下的問題。

1)靈活性較差。為了保證加解密的安全性，需要定期更換密鑰，而現(xiàn)有的白盒算法的表是與密鑰綁定的，即靜態(tài)白盒算法，每次更換密鑰需要重新生成和更換表，甚至更換白盒算法庫。

2)實用性不好。如前所述，已有的白盒算法要么存在安全設(shè)計缺陷，容易被敵手攻擊；要么為了提高安全性，增加計算復雜度，需要占用較大的存儲和計算資源，這對當前白盒密碼的應(yīng)用場景來說不適用。

基于當前的研究現(xiàn)狀和需求，本文提出一種基于查找表的動態(tài)AES 白盒算法——DWB-AES，該算法具有以下特點。

1)具有較高的靈活性。每次更換密鑰時，不必更新表和白盒算法庫，只需要更新很小的白盒密鑰信息即可。

2)具有較高的實用性。DWB-AES 加解密過程基于查找表實現(xiàn)，具有較高的運算效率和較低的存儲空間需求，尤其適合計算和存儲資源受限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

3)具有較高的安全性。DWB-AES 對密鑰和表同時混淆，引入16 B 的混淆變換，使其能夠抵御現(xiàn)有針對白盒密碼的BGE 和Mulder 等常用攻擊方法，并且擁有較高的白盒多樣性和白盒含混度。

2 AES 靜態(tài)白盒算法

在白盒攻擊環(huán)境下，攻擊者可以觀察到密碼算法執(zhí)行的整個過程，為了保護密鑰，可以將加解密過程以表的形式實現(xiàn)，這種思路是由Chow 等提出的。通過查找表，由輸入數(shù)據(jù)直接獲取輸出數(shù)據(jù)，從而隱藏了密鑰信息。下面，將分別介紹Chow 等白盒實現(xiàn)和Xiao-Lai 白盒算法。

2.1 Chow 等白盒實現(xiàn)

在Chow 等白盒實現(xiàn)里[1]，通過改變輪與輪之間的邊界，將加密鑰和S盒變換組合在一起，對應(yīng)一個8 bit 雙射，稱為T盒變換。以AES-128 為例，第r輪、第i行、第j列的T盒為

其中，sr(i,j)表示行變換之后的下標。

列混淆操作每次作用在狀態(tài)矩陣的一列，對應(yīng)32×32的列混淆矩陣和32×1的列向量相乘。為了減小表大小，將列混淆矩陣MC 分割成4 個部分，即MC=(M C0,MC1,MC2,MC3)，將列混淆操作MC 轉(zhuǎn)換為4 次32×8矩陣和8×1列向量相乘，并對4 個列向量相加。

為了隱藏密鑰，需要引入混淆編碼。為此，在T盒變換之前引入雙射變換，在列混淆操作之后乘32×32矩陣MB，并使用和分割矩陣MC 一樣的方法分割矩陣MB。

將T盒變換和列混淆操作結(jié)合，生成TypeII 表；TypeII=MB ? MC?T? mb，其中，mb 表示引入的雙射變換，MB 表示引入的線性變換：乘矩陣MB。為了抵消引入的線性變換和mb 雙射變換，引入TypeIII 表，對應(yīng)實現(xiàn)mb 的逆變換和MB 的逆變換。

此外，為了實現(xiàn)矩陣分割過程中的異或操作，構(gòu)造異或輔助表TypeIV，實現(xiàn)了4 bit 和4 bit 的異或操作。

2.2 Xiao-Lai 白盒實現(xiàn)

和Chow 等白盒算法類似，Xiao-Lai 的AES白盒實現(xiàn)算法將加密鑰操作和S盒變換結(jié)合在一起生成T盒，這里不再贅述。與Chow 等白盒算法不同，Xiao-Lai 的AES 白盒實現(xiàn)算法的列混淆操作將 MC 分割成 2 個部分，即MC=(M C0,MC1)，列混淆操作變?yōu)? 次32×16矩陣和16×1列向量相乘再相加。

構(gòu)造表TMC 為

其中，T2i+1和T2i表示相鄰的2 個T盒變換，R表示32×32矩陣線性變換，L表示16×16矩陣線性變換。將查表得到的2 個列向量直接相加，得到列混淆的結(jié)果。

行變換操作可看作乘128×128矩陣的操作，通過乘隨機矩陣來實現(xiàn)混淆，最終得到矩陣M=LSRR?1，其中，L為16×16的矩陣，SR 為行變換矩陣，R為32×32的矩陣，M矩陣既實現(xiàn)了行變換操作，又抵消了TMC 表中引入的線性變換。為了處理外部編碼，第一輪的M矩陣引入了輸入變換，最后一輪的M矩陣引入了輸出變換。

3 AES 動態(tài)白盒算法DWB-AES 實現(xiàn)方案

所謂動態(tài)白盒算法，就是在密鑰更換時，不需要更換查找表，可以動態(tài)地更換密鑰。其核心思想是，對密鑰引入混淆變換得到白盒密鑰，每次加密時將白盒密鑰和明文一起作為輸入?yún)?shù)，進行查找表操作，最終得到輸出結(jié)果。每次更換密鑰后，只需更換白盒密鑰。

動態(tài)白盒使用流程分為初始化和加（解）密2個過程，如圖1 所示。

圖1 動態(tài)白盒使用流程

初始化過程涉及表的生成和白盒密鑰的生成，加（解）密通過查找混淆表實現(xiàn)。

動態(tài)白盒算法的實現(xiàn)流程為，對輪密鑰和數(shù)據(jù)進行行變換操作，然后乘16×16的非退化矩陣（稱該操作為L變換），從而實現(xiàn)線性混淆。對混淆后的結(jié)果進行異或操作、S盒變換、列混淆操作，最后乘32×32的非退化矩陣（稱該操作為R操作）。

涉及的表為行變換表（對應(yīng)行變換和L變換）、加密鑰表（對應(yīng)加密鑰操作ARK）、列混淆表（對應(yīng)S盒變換、列混淆操作MC 和R變換）。引入的L變換和R變換在相鄰的表之間抵消。

以AES-128 為例進行說明，通過改變輪與輪之間的邊界，并且將行變換操作提前。修改后的輪邊界如圖2 所示。下面，將描述密鑰變換和各表的構(gòu)造過程。

圖2 修改后的輪邊界

1)密鑰變換

首先對AES 密鑰進行密鑰擴展操作，得到輪密鑰。密鑰變換的過程可描述如下，以第r（1≤r≤10）輪為例。首先將輪密鑰進行變換操作。然后將密鑰矩陣的每一列分成兩部分，每2 B 為一組，得到GF(2)16上的列向量，對其進行線性變換：隨機生成16×16的非退化矩陣Li(i≤0 ≤7)，計算

圖3 密鑰變換

由于AES 進行最后一次加密鑰操作后不進行行變換，因此，不對最后一次的輪密鑰進行行變換操作。對密鑰矩陣進行線性變換的過程可以寫成

其中，diag 表示對角陣。下面以加密的過程為例，描述查找表的生成方法。按照順序被查找的表依次為輸入變換表、行變換表、異或輔助表、加密鑰表、列混淆表和輸出變換表。為了更清晰地描述動態(tài)白盒實現(xiàn)的過程，將行變換表放到列混淆表后面進行說明，輸入輸出變換表放到最后進行說明。

2)加密鑰表

加密鑰表對應(yīng)加密鑰操作。對于動態(tài)白盒實現(xiàn)，密鑰是可變的，由于密鑰和明文一樣是作為參數(shù)輸入的，若將其嵌入其他表里，則會導致表過于龐大，為此，單獨構(gòu)造16 bit 輸入、8 bit 輸出的加密鑰表。其中，16 bit 的輸入包含8 bit 白盒密鑰和8 bit 明文。這里的白盒密鑰是由密鑰變換過程生成的。

表構(gòu)造過程為，對8 bit 白盒密鑰和8 bit 明文先解碼，再進行異或操作得到8 bit 的數(shù)據(jù)；然后對8 bit 數(shù)據(jù)進行輸出編碼：先進行線性變換，再進行非線性編碼得到輸出數(shù)據(jù)。加密鑰表如圖4 所示。

圖4 加密鑰表

3)列混淆表sTMC

與文獻[6]中的nTMC 表構(gòu)造思路相同，為了減少表的大小，將列混淆操作分成2 步，先是將列混淆矩陣MC 分割后和狀態(tài)矩陣的列相乘，最后將分割相乘的結(jié)果再相加，即

其中，將MC 進行矩陣分塊，分成2 個32×16的矩陣，即MC=(M C0,MC1)，對狀態(tài)矩陣分塊，得到Tir。

列混淆表sTMC 實現(xiàn)了乘分割后的MC 矩陣：每個sTMC 表乘MC 的一部分，每輪一共有8 個sTMC 表。由于加密鑰表的輸出數(shù)據(jù)含有線性變換，因此將S盒置換嵌入列混淆表里而不是加密鑰表，sTMC 表列混淆表的輸入為16 bit，輸出為32 bit。輸入的狀態(tài)矩陣每2 B 為一組，分成8 組，分別查找8 個sTMC 表，得到8 個32 bit 的向量，后面兩兩一組進行異或，最后得到128 bit 數(shù)據(jù)。

圖5 列混淆表第1～9 輪

圖6 列混淆表第10 輪

4)行變換表

行變換操作可以看作對一個128 bit 的列向量乘128×128矩陣的變換，行變換操作可使用查找表的方式來實現(xiàn)。其涉及的線性變換如式(7)所示。

若不進行矩陣分割，行變換表大小為 2128×128 bit，這在實際中不可行。因此需要進行分割，GF(2)128上的任一列向量X可分割成32 塊，其中每塊為GF(2)4上的列向量。即xj(0≤j≤31)為GF(2)4上的列向量，則式(8)成立。

其中，M=(M0,M1,…,M31)為128×128的矩陣，Mj(0≤j≤31)為128×4的矩陣。

根據(jù)上述分割思路，可將一個 2128×128 bit 的表分割成32 個 24×128 bit 的表。下面進行具體說明。

下面是行變換表的構(gòu)造過程，行變換表的輸入為8 bit，輸出為128 bit。

輸入的8 bit 數(shù)據(jù)，其中4 bit 來自乘MC0的結(jié)果，另外4 bit 來自乘MC1的結(jié)果。以狀態(tài)矩陣的第一列為例，其中4 bit 是查找表之后的結(jié)果，另外4 bit 是查找之后的結(jié)果。在行變換表里，首先對輸入數(shù)據(jù)做非線性變換，進行解碼操作，將來源不同的4 bit 數(shù)據(jù)異或，得到4 bit 列向量；然后按照上述計算式，先乘32×4的矩陣，抵消列混淆表里的線性編碼，再乘128×32的矩陣，進行行變換；最后乘128×128的矩陣，進行線性變換，得到128 bit 的列向量，其中每4 bit 一組，進行非線性編碼，得到輸出結(jié)果。表構(gòu)造的過程如圖7 和圖8 所示，在查找第1 輪TSR 之前，先進行輸入線性編碼（乘大小為128×128隨機矩陣IN），因此第一輪表的線性逆變換乘的是矩陣IN?1。

圖7 行變換表第1 輪

圖8 行變換表第2～10 輪

5)異或輔助表TXOR

行變換的矩陣乘操作被分割成32 個列向量分別乘分割后的矩陣后再相加。本文用異或輔助表實現(xiàn)異或操作，一共有32 個乘法操作，對應(yīng)32 個行變換表，每個表輸出128 bit 列向量，因此行變換輔助表實現(xiàn)32 個128 bit 列向量的加法操作，對應(yīng)31次異或操作。為了減少表大小，將31 次128 bit 異或操作分成31×32次4 bit 異或操作。異或輔助表如圖9 所示。

圖9 異或輔助表

6)輸入輸出編碼表

輸入輸出編碼均是外部編碼，輸入編碼是對輸入明文進行乘128×128非退化矩陣IN，輸出編碼是對輸出前的密文乘128×128非退化矩陣OUT，這里有

因此輸入輸出編碼表實現(xiàn)了128×128的矩陣乘法，為了減少表大小，對矩陣進行分塊，最終使用16 個規(guī)模為8×128的表來實現(xiàn)。表構(gòu)造如圖10所示。

圖10 輸入輸出編碼表

整個加密過程為，首先查找輸入編碼表和輔助異或表實現(xiàn)輸入編碼，再重復10 輪如下的表查找：查找行變換表和輔助異或表實現(xiàn)行變換，查找加密鑰表實現(xiàn)加密鑰，查找列混淆表實現(xiàn)列混淆和S 盒變換。10 輪之后，查找加密鑰表實現(xiàn)最后一輪加密鑰，最后進行輸出編碼變換得到真正的密文。

4 正確性和效率分析

第3 節(jié)詳細介紹了動態(tài)白盒實現(xiàn)方案，把AES實現(xiàn)的各步驟都使用查找表來實現(xiàn)，每個表的輸入和輸出都引入了線性變換和非線性變換來實現(xiàn)混淆，為了保證算法的正確性，在相鄰表之間引入的變換都是互逆的，即保證了在進行AES 的各步驟之前的數(shù)據(jù)都是正確的。為了實現(xiàn)動態(tài)白盒算法，預先對輪密鑰進行線性和非線性變換，其中非線性變換在加密鑰表的輸入里被抵消，而線性變換則和輸入數(shù)據(jù)的線性變換相同，并在列混淆表中被抵消。各表的構(gòu)造示意和描述均在第3 節(jié)給出說明。

下面，將分析動態(tài)白盒算法的效率。

TSR 第1 輪表的大小為 28×128 bit，表個數(shù)為16 個，對應(yīng)TXOR 表個數(shù)為480 個；第2～10 輪，每輪需要32 個表，表大小為 24×128 bit，對應(yīng)TXOR表個數(shù)為992 個。sTMC 表第1～9 輪表大小為216×32 bit，每輪需要8 個表；第10 輪表大小為216×16 bit，需要8 個表。TK 表大小為 216×8 bit，每輪需要16 個表。輸入輸出編碼表大小為 28×128 bit，表個數(shù)為32 個，對應(yīng)TXOR 表個數(shù)為960 個。各表所占空間總大小如下。

表1 3 種基于查找表的白盒方案的效率對比

輸入輸出編碼：32×28×128 bit=128 KB

因此，整個加密過程中所有表的大小為136+1296+19 456+11264+128=32 280 KB。

3 種基于查找表的白盒方案的效率對比如表1 所示。在3 種白盒實現(xiàn)里，只有Xiao-Lai 的白盒實現(xiàn)涉及了耗時多的矩陣乘法，其余均為簡單的查找表操作?？紤]到空間大小，DWB-AES 所占用的空間是最大的，但仍在可接受范圍內(nèi)，并且由于DWB-AES 是動態(tài)白盒，每次更換密鑰需要更換查找表的大小為0。

此外，3 種基于查找表的白盒實現(xiàn)里，只有DWB-AES 既能抵御BGE 攻擊又能抵御Mulder 等的攻擊，這將在后面的安全性分析中進行說明。

5 安全性分析

下面，使用常用的分析方法對DWB-AES 進行安全性分析型。

5.1 本地安全性

查找表技術(shù)通過將密鑰隱藏在表中，對表進行混淆，最終保證表空開后也無法對外泄露信息[1]，并且保證任何一個表都不會泄露額外信息，也就是所謂的本地安全性。DWB-AES 生成每個表的過程中，都引入了隨機的線性變換和非線性編碼，每一個查找表都獨立引入了隨機混淆信息，因此所有的查找表都是本地安全的。

5.2 白盒多樣性和白盒含混度

Chow 等提出了評估白盒安全性的2 個指標，即白盒多樣性和白盒含混度。白盒多樣性用來評估可選擇的混淆表的數(shù)量；白盒含混度用來評估給定表可選擇的混淆編碼的數(shù)量。白盒多樣性越大，含混度越高，則密鑰混淆的越充分，越不容易被提取密鑰。

GF(2)上的n×n階可非退化矩陣的個數(shù)為，m×n列滿秩矩陣的個數(shù)為例如GF(2)上的4×4非退化矩陣個數(shù)為20 160，由此計算本文白盒實現(xiàn)中表的白盒多樣性。

表2 給出了3 種白盒方案的白盒含混度和白盒多樣性。TK 的白盒含混度為 28!×28≈21692，TXOR 的白盒含混度為 24!×24≈248，其余表的白盒含混度計算起來比較復雜，本文僅給出粗略的下界，TSR 為(24!)2×2126≈ 2214，sTMC 為 (28!)2×2254≈23622，TOUT 為 (24!)2×2016032≈ 2536。

表2 3 種白盒方案的白盒含混度和白盒多樣性

從表2 可以看出，DWB-AES 擁有較高的白盒含混度和白盒多樣性，因此具有較高的安全性。

5.3 抵御BGE 攻擊

Billet 等提出了對Chow 等的白盒AES 算法的攻擊方法，被稱為BGE 攻擊。在Chow 的白盒設(shè)計里，表滿足了比較高的白盒多樣性和白盒含混度，從單個表里提取密鑰信息十分困難，然而由于表與表之間的混淆會相互抵消，將表組合在一起分析能更容易地提取密鑰信息。在BGE 攻擊中，將每輪的各變換當作一個整體，看作一個變換，如圖11 所示。從圖11 可以看出，每輪的輸入編碼和前一輪的輸出編碼是互逆的，即

圖11 Chow 等白盒算法流程

其次，計算出仿射變換，該步驟主要基于任意的(yi,yj)存在線性關(guān)系，即yi(x0,00,00,00)=

下面，將說明DWB-AES 可以抵御BGE 攻擊。與Chow 等白盒算法不同，DWB-AES 的算法實現(xiàn)里，每一輪的置換編碼是16 bit，(yi,yj)不一定存在線性關(guān)系。顯然，將TK、sTMC 和TSR 組合在一起分析，是最容易攻擊的。令輸入數(shù)據(jù)為(x0,x1,…,x15)，令狀態(tài)矩陣的排列方式為按列排列。將第一輪TK 表數(shù)據(jù)輸入的第i個字節(jié)定義為xi，將第二輪行變換輸出（查找TSR 和XOR 表的輸出）的第i個字節(jié)定義為yi。令

其中，t=0或 1，v是u經(jīng)過加密鑰、S盒變換、列混淆、行變換之后的結(jié)果。以前2 B 為例，第1 B的v0和v1的計算式為

5.4 抵御Mulder 攻擊

Mulder 等[7]對Xiao-Lai 白盒實現(xiàn)進行了攻擊，該攻擊方法是基于Biryukow 等[19]的LE 算法。LE算法給出了尋找線性變換對(A,B)，使S2=B?S1?A的算法，其中S1和S2均為nbit 雙射，若存在這樣的線性變換對，則S1和S2是線性等效的，此時LE 算法輸出符合要求的線性變換對集合；否則，輸出相應(yīng)信息表示S1和S2不是線性等效的。在Xiao-Lai 白盒實現(xiàn)里，由于TMC 表只引入了線性變換

其中，(S,S)為AES 的S盒變換。因此若找到TMC和(S,S)之間的線性變換(A,B)，則可將表中引入的線性變換去掉，進而提取密鑰。

Mulder 等通過觀察Xiao-Lai 白盒實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，對LE 算法進行改造，以便能在 232的復雜度內(nèi)提取密鑰。首先，Mulder 等將密鑰相關(guān)的表轉(zhuǎn)換為密鑰無關(guān)的表。其次，找到線性矩陣。最后，提取AES 密鑰。其中，找到線性矩陣的步驟是核心步驟，通過將第1 輪的TMC 表和第2 輪的列混淆操作結(jié)合，并將列混淆操作相關(guān)輸出設(shè)置為0，攻擊者可以構(gòu)造出線性等價解的集合。

下面將說明這種攻擊方法不適用于DWB-AES。由于表的輸入和輸出均增加了非線性編碼，因此使用基于LE算法及Mulder等的改造算法來尋找線性變換對(A,B)的方法不能直接被應(yīng)用。即使將非線性編碼的部分去掉，由于TSR 表的輸入分別來源于列混淆矩陣MC 和TMCi+1，線性等價的解集合的構(gòu)造將更加復雜。

該集合的大小為 224，而不是原來的 28，這將攻擊復雜度提升至 264，對于使用白盒密碼的應(yīng)用程序來說，可認為是安全的復雜度。

本文使用常用的方法對DWB-AES 進行了安全行分析，并對Chow 白盒方案、Xiao-Lai 白盒方案和DWB-AES 進行了對比，結(jié)果如表3 所示。

表3 3 種白盒方案對比

6 結(jié)束語

針對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備軟硬件資源有限，密碼模塊既要滿足安全性，又要具有較大靈活性的需求，本文提出了一種不需要更換查找表就能更換密鑰的動態(tài)白盒實現(xiàn)方法DWB-AES，在保證正確性的前提下，具有較高的安全性，可以有效地抵御BGE 攻擊和Mulder 等針對白盒算法的已知常用攻擊，由于該方法在密鑰更新時不需要更換查找表就能更新密鑰，因此應(yīng)用模式更加靈活，可以更好地滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在安全應(yīng)用中的需求。