一種應(yīng)用非線性混淆的基于查找表的白盒AES實現(xiàn).pdf

1、白盒密碼是一種等價轉(zhuǎn)換技術(shù)，它將傳統(tǒng)密碼算法轉(zhuǎn)換成一種在功能上與之等價但具備在不可信任的運行環(huán)境（即白盒環(huán)境）中的安全性的算法。它的出現(xiàn)源自于持續(xù)增長的對設(shè)計和實現(xiàn)能夠部署于白盒環(huán)境的強(qiáng)密碼算法的需求。在白盒環(huán)境中，攻擊者不僅擁有密碼算法的硬件/軟件實現(xiàn)，還具有這些算法實現(xiàn)——特別是軟件實現(xiàn)——及其運行環(huán)境的完全訪問及控制的權(quán)限。而白盒密碼的目的是使得密碼算法的白盒實現(xiàn)即使在白盒環(huán)境下也能夠像黑盒一樣運行。也就是說，即使具有對密碼算法實

2、現(xiàn)及其運行環(huán)境的完全掌控，攻擊者仍然無法獲得相比于黑盒環(huán)境下更多的攻擊優(yōu)勢。
　　自2002年，Chow等人提出第一個白盒實現(xiàn)以來，許多研究者投身于這個領(lǐng)域，提出了許多富有創(chuàng)造性的方案。然而時至今日，大部分白盒實現(xiàn)，尤其對常用密碼算法，例如高級加密標(biāo)準(zhǔn)AES，最終都被攻破了。因此，設(shè)計新型白盒實現(xiàn)方案對我們而言不僅是一項挑戰(zhàn)，更成為了一個機(jī)遇。
　　本文描述了一種全新的基于查找表的白盒AES實現(xiàn)，該實現(xiàn)對BGE攻擊和De M

3、ulder等人針對Xiao-Lai白盒AES實現(xiàn)的攻擊都顯示出了很好的防護(hù)性。新方案采用了更大的密鑰相關(guān)查找表nTMC——一個16 to32-bit的映射——來實現(xiàn)三步密碼操作AddRoundKey、SubBytes和MixColumns的組合。每個查找表nTMC都內(nèi)置了兩個輪密鑰字節(jié)，并且經(jīng)過隨機(jī)混淆雙射的編碼。
　　除查找表nTMC之外，我們設(shè)計了8 to128-bit的密鑰無關(guān)查找表TSR來實現(xiàn)ShiftRows操作。而nT

4、MC和TSR以一種立體連接模式進(jìn)行安全的協(xié)同工作。TSR的輸出通過一個由查找表TXOR和TXOR3所構(gòu)成的樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被合并成為一個128-bit的值。新方案中全體查找表都經(jīng)過了非線性的隨機(jī)編碼。
　　隨后，我們對新方案進(jìn)行了詳細(xì)的分析，包括性能方面和白盒安全性方面。在性能方面，新方案共計消耗28444kB存儲空間且在整個加密/解密過程中共有7776次查表操作。而在安全性方面，我們首先計算了各類查找表的白盒多樣性及白盒含混度，得到

5、了較好的結(jié)果。其次，其次，我們闡述了我們認(rèn)為BGE攻擊不適用于新方案的原因：BGE攻擊所依賴的最為核心的性質(zhì)——輸出字節(jié)對(yi,yj)之間唯一的線性相關(guān)性——在新方案上并不一定能夠成立。此外，我們也說明了新方案能夠抵御De Mulder等人的攻擊的兩點原因：其一，新方案中的所有查找表都加入了非線性輸入輸出編碼，因此De Mulder等人的攻擊所利用的“線性”等價算法無法直接應(yīng)用在我們的方案中；其二，由于新方案采用了立體的查找表連接結(jié)構(gòu)