高级加密标准及短分组加密技术应用研究

论文摘要

AES／Rijndael是2000年公布的对敏感数据加密的美国高级加密标准，现在已基本成为商业数据加密的国际标准。AES（Advanced Encryption Standard）的密码分析和应用研究已越来越受到人们的重视。短分组加密技术是在实际应用中使用较多的一种加密技术，如预付费代码表计中使用的就是短分组加密技术。因此，研究解决基于AES的短分组加密及应用中的关键技术问题是当前国内预付费代码表计行业所急需的，对国民经济的发展具有十分重要的意义。本文对AES／Rijndael进行了深入的研究，内容包括：Rijndael算法的基本原理和设计准则，Sbox的代数性质，积分攻击与代数攻击，对AES几种功耗分析方法进行了比较分析研究，设计了基于AES的短分组加密算法，成功实现了预付费代码表计的加密通信。主要成果有：（1）研究分析了S-盒的代数表达式，给出了S-盒9项代数表达式和逆S-盒255项代数表达式；指出S-盒仿射变换周期为4和迭代周期小于88；提出了构造S-盒的改进方案，改进方案构造的S-盒在严格雪崩准则距离、代数表达式、仿射变换周期和迭代周期上都具有较好的代数性质。（2）对Rijndael算法积分攻击和代数攻击进行了分析。研究了Square-5和Square-6攻击，得出的结论是：随着加密轮数的增加，其攻击复杂度超过了穷举搜索，Square攻击对Rijndael算法还不构成威胁。到目前为止，Rijndael的连分式表示、AES嵌入BES以及XSL攻击对Rijndael算法还不构成威胁，Rijndael算法是目前最安全的分组加密算法。（3）对Rijndael算法进行功耗分析。得出结论是：功耗分析的最好的部件为非线性函数，1阶DPA有奇异峰值现象，功耗统计分析的状态位数越多（即高阶DPA），奇异峰值现象越不明显；CPA分析的效果要好于DPA。提出了基于Walsh谱的功耗分析方法，给出了功耗分析与非线性度的关系，指出了不可能设计出抗功耗分析与抗线性、差分攻击同时最优的S-盒函数。（4）设计并实现了基于AES的6位、8位、12位、16位、32位十进制数短分组加密算法。该算法的最大特点是做到安全的短分组加密、在加密和解密过程中能做到十进制数的明文和密文长度相等，满足特殊行业对加密算法的要求，如预付费代码表计加密。（5）提出了预付费代码表计加密通信工作方式，建立了系统内密钥分配和动态密钥产生的模型，对预付费代码表计进行了仿真实验，对短分组加密算法进行了Square攻击，并对短分组加密系统进行性能测试，各项指标满足实际应用需要。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的意义、目的
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 Rijndael算法原理
• 1.3.1 高级加密标准AES概述
• 1.3.2 Rijndael算法原理
• 1.3.3 密钥扩展
• 1.3.4 Rijndael算法的加密、解密
• 1.4 Rijndael算法设计原则
• 1.5 研究的主要内容及本文结构安排
• 第二章 AES的Sbox代数性质分析
• 2.1 非线性变换的代数性质分析
• 2.1.1 S盒（Sbox）及其逆的代数表达式
• 2.1.2 S盒布尔置换的代数性质
• 2.1.3 S盒的仿射变换周期和迭代输出周期分析
• 2.2 线性变换代数性质分析
• 2.3 Sbox构造方案改进
• 2.4 小结
• 第三章 AES积分攻击与代数攻击
• 3.1 Square攻击
• 3.1.1 Square攻击原理与基本攻击
• 3.1.2 Square-5攻击
• 3.1.3 Square-6攻击
• 3.2 Rijndael算法的连分式表示与BES
• 3.2.1 Rijndael算法的连分式表示
• 3.2.2 BES及AES嵌入BES
• 3.3 XSL攻击
• 3.3.1 MQ方程
• 3.3.2 S盒抗代数攻击的阻力
• 3.3.3 XL算法
• 3.3.4 对MQ问题的XSL攻击
• 3.4 小结
• 第四章 AES功耗分析
• 4.1 AES差分功耗分析
• 4.1.1 1阶差分功耗分析的原理
• 4.1.2 差分功耗分析的数字特征
• 4.1.3 d函数的选择
• 4.1.4 高阶差分功耗分析
• 4.1.5 DPA实验结果与结论
• 4.2 AES相关功耗分析
• 4.2.1 相关功耗分析的理论依据
• 4.2.2 相关系数估计
• 4.2.3 实验结果
• 4.3 基于Walsh谱的功耗分析
• 4.3.1 DPA分析与Walsh谱的关系
• 4.3.2 功耗分析与非线性度的关系
• 4.3.3 实验结果
• 4.4 小结
• 第五章 基于AES的短分组加密技术设计
• 5.1 短分组加密算法设计原则
• 5.2 基于AES的短分组加密算法设计
• 5.2.1 S盒（SubDeci）
• 5.2.2 行移位（DeciShiftRows）
• 5.2.3 列混合（DeciMixColunm）
• 5.2.4 轮密钥控制（DeciRoundControl）
• 5.2.5 轮密钥扩展（DeciKeyExpansion）
• 5.2.6 十进制Hash函数（DeciHash）
• 5.3 加密解密算法实现
• 5.4 S盒改进（DeciSub）
• 5.5 小结
• 第六章 预付费代码表计加密通信实现
• 6.1 预付费表计工作方式
• 6.1.1 IC卡式预付费表计工作方式
• 6.1.2 代码式预付费表计工作方式
• 6.2 预付费代码表计加密通信实现
• 6.2.1 密钥分配
• 6.2.2 动态密钥产生
• 6.2.3 短分组通信协议设计及明文/密文帧结构
• 6.2.4 购买信息的加解密实现
• 6.3 短分组加密算法Square攻击
• 6.4 短分组加密系统性能测试
• 6.5 小结
• 第七章 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间主要研究成果