使用压缩函数的广义Feistel网络的相关密钥分析

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分组密码算法是密码学研究领域的核心研究方向之一,其在实现数据加密、构造消息认证码、哈希函数、流密码及伪随机数生成器及密钥管理中有着广泛应用。在不同的分组密码算法设计中,采用Feistel结构的分组密码算法数量多,应用广泛。Feistel结构的安全性最早则由Luby和Rackoff作出分析,通过将轮函数视作一个秘密随机函数,可以证明其信息论下的不可区分性,即任意区分者无法区分Feistel网络和2n比特的随机置换。由此Luby和Rackoff证明了 4轮Feistel网络的选择密文攻击安全性。Schneier和Kelsey在1996年提出了非平衡Feistel密码结构后,一系列工作已经证明,压缩Feistel结构(CFN)和交替Feistel结构(AFN)都可以抵抗敌手选择2(1-ε)m次密文实施的攻击。然而,在相关密钥攻击模型下针对使用压缩函数的广义Feistel网络的安全性理解仍然不足。本文将考虑使用压缩轮函数的非平衡Feistel结构的相关密钥攻击安全性,其中包括只使用压缩函数的CFN以及交替使用压缩函数和扩展函数的AFN。基于Barbosa和Farshim在FSE 2014论文中针对Feistel结构的可证明相关密钥安全性分析的工作,本文的主要工作是将其拓展到使用压缩轮函数的广义Feistel结构下进行可证明安全性分析。我们证明的核心是使用H-系数技术分析广义Feistel密码结构的信息论不可区分性质,其中我们考虑广义Feistel密码结构使用理想化的密钥内嵌压缩轮函数。我们的结果表明,在每一轮迭代中交替或者近似交替使用两个主密钥K1,K2,压缩Feistel结构可以在[m/n]+3轮时达到相关密钥生日界安全,交替Feistel结构在常数轮——4轮就可以抵抗2n/2次敌手查询。我们的结果提供了从相关密钥安全的可变输入长度的伪随机函数中构造相关密钥安全的VIL分组密码的一种新方法,这种分组密码结构可以应用于可变输入长度的不可延展码或者可调节分组密码中。同时,我们的结论也为NIST标准的FF1和FF3结构的安全性提供了理论支撑。我们的结论还表明,可以将LIONESS分组密码的密钥减半,而这反而提升了可证明安全性。
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