認證加密方案的設計與分析.pdf

1、認證加密方案是一種利用對稱密碼來同時解決隱私性和真實性等實際問題的密碼方案,它已被廣泛的應用在諸多領(lǐng)域且研究成果層出不窮。其設計涉及到邏輯運算、S盒、AES輪函數(shù)、分組密碼、置換函數(shù)、壓縮函數(shù)、流密碼、可調(diào)密碼等方面的研究,囊括了對稱密碼研究的方方面面。認證加密方案分為以分組密碼、置換函數(shù)、壓縮函數(shù)、可調(diào)密碼等本原為基礎(chǔ)設計的認證加密工作模式與以流密碼、邏輯運算、S盒以及AES輪函數(shù)等為基礎(chǔ)設計的專用認證加密算法。本論文主要研究認證加密

2、工作模式的設計與分析。
　　論文首先闡述了認證加密方案的研究背景、研究意義與研究現(xiàn)狀,進而剖析出認證加密方案設計應當考慮的關(guān)鍵性問題。隨后綜合考慮現(xiàn)存的關(guān)鍵性問題,研究并討論認證加密工作模式的設計與分析。主要借用可證明安全理論,尤其是尚未受到廣泛關(guān)注的H-coefficients技術(shù),強調(diào)H-coefficients技術(shù)在認證加密工作模式的設計與分析中的重要作用。
　　本論文的具體研究內(nèi)容及其創(chuàng)新點描述如下:
　　1.

3、提出了兩類接近最優(yōu)安全的基于分組密碼的認證加密工作模式。針對GCM方案具有非常廣泛的實際應用背景卻一直存在著生日界瓶頸的關(guān)鍵性問題,通過引入加密的Davies-Meyer結(jié)構(gòu)EDM及其對偶結(jié)構(gòu)EDMD,提出了兩類接近最優(yōu)安全的基于分組密碼的認證加密工作模式。然后,對所提出的新方案進行了安全性證明和實現(xiàn)性能分析。結(jié)果表明:如果底層使用的分組密碼是一個安全的偽隨機置換,那么新方案都是接近最優(yōu)安全的。而且,與其他抗生日界安全的認證加密方案相比

4、較,新方案也擁有較高的實現(xiàn)效率。
　　2.提出了一類相關(guān)密鑰安全的并行在線基于置換函數(shù)的認證加密工作模式。針對并行在線基于置換函數(shù)的認證加密工作模式尚未出現(xiàn)的關(guān)鍵性問題,引入了一個并行在線結(jié)構(gòu),同時添加了一個調(diào)柄作為額外的輸入,提出了一類相關(guān)密鑰安全的并行在線基于置換函數(shù)的認證加密工作模式。形式化描述了可調(diào)在線認證加密方案在單密鑰和相關(guān)密鑰設置下的安全性定義,通過使用H-coefficients技術(shù)驗證了所提出的新方案的可證明安全

5、性。結(jié)果表明:如果底層使用的置換函數(shù)是一個安全的理想置換,那么新方案是可證明相關(guān)密鑰安全的。而且,與基于分組密碼的認證加密方案和其他基于置換函數(shù)的認證加密方案相比較,新方案都具有較高的實現(xiàn)效率。
　　3.提出了兩類接近最優(yōu)安全的基于壓縮函數(shù)的認證加密工作模式。針對抗生日界安全的基于壓縮函數(shù)的認證加密工作模式尚未出現(xiàn)的關(guān)鍵性問題,通過引入隨機化的加密模式,首次提出了兩類接近最優(yōu)安全的基于壓縮函數(shù)的認證加密工作模式。然后,對所提出的新

6、方案進行了可證明安全和實現(xiàn)性能分析。結(jié)果表明:如果底層使用的壓縮函數(shù)是一個安全的偽隨機函數(shù),那么RWCTR方案的隱私性確保了最多大約(n-2)比特的安全性且其真實性確保了最多大約。(n-log n)比特的安全性;而對于RWCTRN方案,在nonce初始向量設置下,其隱私性實現(xiàn)了最多大約(n-2)比特的安全性且其真實性實現(xiàn)了最多大約(n-log n)比特的安全性,在任意初始向量設置下,其隱私性和真實性都確保了最多大約n/2比特的安全性,這

7、里n表示塊長大小。而且,與其他基于壓縮函數(shù)的認證加密方案相比較,新方案不但擁有更好的安全性,而且擁有更高的實現(xiàn)效率。
　　4.提出了一類釋放未被驗證的明文設置下完整性(INT-RUP)安全的基于可調(diào)密碼的認證加密工作模式。針對Rogaway等人提出的開放性問題,即是否存在一種簡單高效的方式來修復OCB方案在釋放未被驗證的明文設置下的完整性安全,聚焦OCB方案校驗和處理的弱點,分析OCB方案的INT-RUP安全缺失的原因,認為是由于

8、使用了明密文校驗和結(jié)構(gòu)造成的,并給出了基于明密文校驗和結(jié)構(gòu)的認證加密方案在INT-RUP安全模型下的安全性攻擊過程。為彌補明密文校驗和結(jié)構(gòu)的安全缺陷,提出了一種新的中間校驗和結(jié)構(gòu),并將之應用于OCB方案,提出了基于中間校驗和結(jié)構(gòu)的OCB方案,即OCB-IC方案。結(jié)果表明:OCB-IC方案解決了OCB方案的INT-RUP安全問題,是可證明INT-RUP生日界安全的。所提出的中間校驗和結(jié)構(gòu)為解決速率小于1的認證加密方案在釋放未被驗證的明文設