网络空间安全一级学科中白盒密码的教学与科研探讨( 二 )

预备知识
下面阐述白盒密码的一些相关概。分组密码。一条

比特的分组密码E是一个确定性函数。它在一把

比特的密钥

的作用下映射

比特的明文分组

成一条

比特的密文分组

：

式中，

和

分别为分组密码大小和密钥大小。理想分组密码。如果分组密码E指定的在上的

个置换的分组密码系列是从

的

个不同的转换中随机均匀选择的，则此分组密码E是理想分组密码。即使是理想分组密码，也容易遭到黑盒攻击。这种攻击并不利用分组密码的内部结构。在设计新的分组密码时，需要考虑混淆和扩散。混淆指的是密文比特依赖于明文比特和密钥比特的复杂方式，目标是使这种关系尽可能复杂，以便攻击者要利用这种关系是困难的，甚至是不可能的。获得混淆的基本部件是非线性的替换盒（S-boxes），典型的是以查找表来实现。然而，对查找表的存储需求会对输入大小造成限制。扩展指的是每个明文比特和每个密钥比特对密文比特的影响程度，目标是使影响尽可能大。它具有一个特性，即翻转一明文比特或一密钥比特会导致以1/2的概率翻转密文比特，这种特性叫雪崩效应。获得扩散的基本分量如下：（1）线性扩散盒（D-盒），包含大量的线性运算；（2）对比特级或比特束级的置换，通常也叫比特转换或束转换。与非线性的S-boxes不同，这些扩散分量的输入大小通常没有约束。查找表。查找表

映射

到

比特，是给定函数

的特定表示。此查找表共需要

比特的存储空间。由于此空间大小与表的输入大小

成指数关系，当

较大时，存储需求不切实际。非线性的替换和线性的扩散是大多数分组密码设计的关键。它通常由Feistel密码和替换置换网络两种分组密码构造。这两种构造属于迭代分组密码，即乘积密码。乘积密码是通过多次替代简单的密钥相关的轮函数生成的分组密码。尽管简单的密钥轮函数能充当弱分组密码，但是通过多次轮函数的迭代会导致强分组密码。攻击模型。攻击模型指定攻击者的能力，以试图攻破分组密码。这种能力要以低于穷举密钥搜索的复杂性进行攻击。黑盒模型。在这种模型下，通信信道的授权终端用户——发送方和接收方假定是可信的。这种假设在早期的密码中是有效的，但现在密码应用广泛，黑盒密码已经不够。黑盒模型是一种保守模型，即攻击者被限制在分组密码的输入/输出行为上。这里输入对应于明文和密钥，输出对应于密文。黑盒模型有唯密文攻击、已知明文攻击、选定明文攻击、选定密文攻击以及自适应选定明文/密文攻击等，阻止对内部操作或数据的观察或篡改。灰盒模型。这种模型不再假定通信信道的端点是可信的，攻击者能对实现进行有限的访问。对密码算法实现的攻击而不是对算法的攻击，指的是实现攻击。常见的是侧信道分析攻击，如执行时间、能耗和电磁辐射。灰盒密码涉及到密码体制的硬件实现，攻击者能篡改物理设备以获得与密钥相关的侧信道信息。白盒模型。此模型和灰盒模型一样，终端用户是不可信的，且此模型下攻击者能完全访问密码软件的执行，能对执行平台实施完全控制。攻击的整体复杂性可分为时间复杂性、存储复杂性和数据复杂性。３