present 的多模型差分错误分析

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1、14论文集名称PRESENT的多模型差分错误分析唐明1,2沈菲2邓慧2尹鹏2邱镇龙2马啸2张焕国1,2(1．武汉大学信息安全与可信计算机教育部重点实验室武汉)(2.武汉大学计算机学院武汉)摘要PRESENT密码是一种适用于传感器网络，RFID标签等小规模硬件的轻量加密算法。该密码算法能够在较少资源条件下提供满足应用要求的安全性。本文对PRESENT算法的差分错误分析方法进行研究，提出了针对Present密码的4种差分错误模型，并对它们进行分析对比，从而找到针对PRESENT算法最好的差分错误分析方法。就我们收集到现有发表著作显示，此次研究比以往PRESE

2、NT的差分错误攻击更为有效。理论分析与实验结果均表明，由于PRESENT密码的P置换的线性扩散特性和S盒的差分分布不均匀特性，PRESENT密码易受到差分错误分析。最好结果是，在第28轮和29轮P置换之间引入8bit随机错误，平均使用17个错误样本分析得到最后一轮64bit白化密钥。关键词密码分析；差分错误分析；轻量密码；Present密码1.引言1996年9月，Boneh等人提出了一种新的密码分析方法—错误攻击（Faultanalysis，FA）[1]，并利用FA攻击成功破解RSA密码。该方法一经提出就得到了广泛关注，并被尝试用于各种加密算法中。199

3、7年，Biham和Shamir将FA思想运用到私钥加密系统中，提出了一种新的攻击方法——差分错误攻击（DifferentialFaultanalysis，DFA）[2]。DFA分析结合了差分分析与错误分析，通过将错误插入到私钥加密系统中，分析得到正确错误的密文对，进行差分分析得到密钥。文献[2]中介绍DFA分析方法对DES算法进行50—200次的错误加密，可获得最后一轮的48bit密钥，该文[2]仅对Feistel结构分组密码进行DFA分析，而未涉及SPN结构分组密码结构。2003年，Pierre等人将DFA分析方法用于SPN结构的密码算法——AES之中

4、[3]。迄今为止，DFA分析方法已被用于多种密码算法中，例如3DES[4]、KHAZAD[5]、SMS4[6]、TRIVIUM[7]、IDEA[8]等。PRESENT密码[9]是由A.Bogdanov等人在CHES2007中提出的一种SPN结构的密码。该算法能够在硬件资源有限的条件下完成安全加密。文献[9]中提出PRESENT算法能够在1570个门级电路上完成安全加密，并充分满足传感器网络以及RFID标签的安全要求。目前，对PRESENT算法的分析有多种，包括线性分析[10]、约减轮的差分分析[11]、代数分析[10]、约减轮的线性攻击[12]、差分错误

5、分析[13]、针对密钥扩展的差分错误分析[14][14]等。其中文献[13]是目前首次提出的针对PRESENT的差分错误分析，研究者能够在第29、30轮S盒输入之间引入4bit错误，利用40-50个有效错误样本条件下恢复出最后一轮64bit白化密钥。本文中，我们针对PRESENT算法提出四种不同的错误模型，即：第29、30轮P置换之间4bit随机错误模型；第29、30轮P置换之间8bit随机错误模型；第28、29轮P置换之间4bit随机错误模型；第28、29轮P置换之间8bit随机错误模型。14论文集名称理论分析与实验结果表明，在普通PC下（CPU:In

6、teli3530@2.93Ghz；内存：4G）利用vc9.0编译器下，第28、29轮P置换之间引入8bit的随机错误，能够在秒级的计算时间，利用17对错误样本分析得到最后一轮64bit的白化密钥。剩下的密钥比特数，可以直接穷举得到。本文其它部分的组织结构如下：第2章介绍了PRESENT算法以及差分错误分析的相关知识；第3章分析了PRESENT算法的四种错误模型下的错误传播过程及分析方法；第4章进行四种错误模型的复杂度分析，实验模拟攻击，给出了相应的实验结果；第5章为全文工作的总结。1.相关知识介绍1.1PRESENT密码PRESENT密码是一种结构为SP

7、N的轻量密码算法，包括31轮函数变换及最后的输出密钥白化。算法结构如图1所示。图1PRESENT算法结构PRESENT轮函数由轮密钥加、S盒代换和P置换组成。其中S盒代换由16个4*4大小的S盒完成，是PRESENT算法中唯一的非线性部件。（1）轮密钥加：设轮密钥为，当前状态为，则变换如下：（2）S盒代换：设状态为，可表示成16个4bit数，其中。则变换如下：S盒定义如表1所示:表1S盒代换表x0123456789ABCDEFS(x)C56B90AD3EF84712（3）P置换：P置换将64bit状态进行重排，提供扩散效应。P置换表定义如表2所示：表2P

8、置换表i012345678910111213141514论文集名称P（i）016