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FBS-uBlock:灵活的uBlock算法比特切片优化方法
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作者 龚子睿 郭华 +3 位作者 陈晨 张宇轩 陈俊鑫 关振宇 《软件学报》 北大核心 2025年第10期4827-4845,共19页
uBlock算法在算法设计、侧信道防护、物联网应用、密码分析领域得到了广泛应用.虽然uBlock算法适合高速实现,但目前该算法公开的实现速率远不如AES、SM4等算法.比特切片是优化分组密码的常用方法,但在采用比特切片优化uBlock算法时,面... uBlock算法在算法设计、侧信道防护、物联网应用、密码分析领域得到了广泛应用.虽然uBlock算法适合高速实现,但目前该算法公开的实现速率远不如AES、SM4等算法.比特切片是优化分组密码的常用方法,但在采用比特切片优化uBlock算法时,面临着因寄存器资源不足而导致的巨大访存开销问题.为uBlock算法设计了一种灵活的比特切片优化方法FBS-uBlock(flexible bit slicing uBlock),降低算法在比特切片下占用的寄存器数量,进而降低访存开销,提升速率.经过测试,该优化方法最多能够让uBlock-128/128、uBlock-128/256和uBlock-256/256算法的访存指令分别降低71%、71%和72%,加密速率最高能够分别达到12758 Mb/s、8944 Mb/s和8984 Mb/s,比设计文档中的实现速率分别提升了3.9、4.2和3.4倍. 展开更多
关键词 分组密码 ublock算法 软件优化 比特切片 单指令多数据
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分组密码算法uBlock积分攻击的改进
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作者 王晨 崔佳敏 +1 位作者 李木舟 王美琴 《电子与信息学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第5期2149-2158,共10页
积分攻击是由Daemen等人(doi:10.1007/BFb0052343)于1997年提出的一种密码分析方法,是继差分分析和线性分析之后最有效的密码分析方法之一。作为2018年全国密码算法设计竞赛分组算法的获胜算法,uB-lock抵抗积分攻击的能力受到较多的关... 积分攻击是由Daemen等人(doi:10.1007/BFb0052343)于1997年提出的一种密码分析方法,是继差分分析和线性分析之后最有效的密码分析方法之一。作为2018年全国密码算法设计竞赛分组算法的获胜算法,uB-lock抵抗积分攻击的能力受到较多的关注。为了重新评估uBlock家族密码算法抵抗积分攻击的安全性,该文利用单项式传播技术,结合混合整数线性规划(MILP)工具搜索积分区分器,并利用部分和技术进行密钥恢复攻击。对于uBlock-128/128和uBlock-128/256,基于搜索到的9轮积分区分器分别进行了首个11轮和12轮攻击,数据复杂度为2~(127)选择明文,时间复杂度分别为2~(127.06)和2~(224)次加密,存储复杂度分别为2~(44.58)和2~(138)字节;对于uBlock-256/256,基于搜索到的10轮积分区分器进行了首个12轮攻击,数据复杂度为2~(253)选择明文,时间复杂度为2~(253.06)次加密,存储复杂度为2~(44.46)字节。与之前uBlock的最优积分攻击结果相比,uBlock-128/128和uBlock-256/256的攻击轮数分别提高2轮,uBlock-128/256的攻击轮数提高3轮。本文的攻击说明,uBlock针对积分攻击依然有足够的安全冗余。 展开更多
关键词 密码分析 分组密码 ublock 积分攻击
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uBlock算法的低代价门限实现侧信道防护方法 被引量:3
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作者 焦志鹏 陈华 +1 位作者 姚富 范丽敏 《计算机学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第3期657-670,共14页
在传统的基于黑盒模型的密码分析中,攻击者仅可以利用密码算法的输入输出信息进行攻击,现有密码算法在黑盒模型下的安全性已经得到较为充分的论证.但是在灰盒模型下,攻击者的能力得到提高,其不仅可以获取密码算法的输入输出信息,还可以... 在传统的基于黑盒模型的密码分析中,攻击者仅可以利用密码算法的输入输出信息进行攻击,现有密码算法在黑盒模型下的安全性已经得到较为充分的论证.但是在灰盒模型下,攻击者的能力得到提高,其不仅可以获取密码算法的输入输出信息,还可以获得密码算法实际执行过程中泄露的功耗、电磁、光等物理信息,这些物理信息和密码算法的中间状态具有相关性,敌手可以利用这种相关性进行秘密信息的恢复,这种攻击被称为侧信道攻击.侧信道攻击自提出以来,由于其相对低的实现代价以及较高的攻击效率对于密码算法的实现安全性造成了严重的威胁.uBlock算法是2019年全国密码算法设计竞赛分组密码一等奖获奖算法,同样受到了侧信道攻击的威胁.目前针对uBlock算法的研究较少,在硬件实现方面主要考虑低延迟高吞吐量的实现,缺乏针对资源受限情况下的低代价优化实现,不利于侧信道防护方案的构造.目前公开的文献中指出其S盒适用于基于门限实现的侧信道防护方案构造,存在3-share的无需新随机数的门限防护方案,但是没有给出具体的实现方案.针对这样的现状,本文首先基于流水线和串行化的思想设计并实现了一种适用于uBlock算法的低代价硬件实现方案;其次在上述低代价实现方案的基础上构造并实现了一种适用于uBlock算法的3-share无需新随机数的门限防护方案;最后针对3-share门限实现面积消耗较大的问题进一步优化实现代价,构造并实现了一种2-share的无需新随机数的门限防护方案.为了验证上述防护方案的实际安全性,本文在FPGA开发板中进行了实际实现,并基于测试向量泄露评估技术进行侧信道评估实验,实验结果验证了3-share和2-share uBlock算法门限防护方案对于侧信道攻击均具有相应的防护能力.为了进一步对比防护方案之间的实现代价,本文从寄存器消耗、随机数消耗以及时延等角度对各个方案进行了对比,然后又通过实验评估了不同方案在FPGA资源、等效门等方面的消耗,总而言之上述代价对比说明2-share无需新随机数的门限实现方案的资源消耗相对于其他防护方案较少,其中在面积消耗上其相对于3-share的无需新随机数的门限实现方案降低了约30%. 展开更多
关键词 ublock算法 侧信道攻击 侧信道防护 门限实现 硬件安全
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AEUR:基于uBlock轮函数的认证加密算法设计 被引量:7
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作者 杨亚涛 董辉 +1 位作者 刘建韬 张艳硕 《通信学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第8期168-178,共11页
为了提升认证加密算法的实现效率,同时不降低算法的安全性,基于uBlock算法设计了一种新型认证加密算法AEUR。首先,在分组密码算法uBlock轮函数的基础上,将抵抗内部碰撞攻击作为安全性目标,利用混合整数线性规划方法,搜索设计符合安全性... 为了提升认证加密算法的实现效率,同时不降低算法的安全性,基于uBlock算法设计了一种新型认证加密算法AEUR。首先,在分组密码算法uBlock轮函数的基础上,将抵抗内部碰撞攻击作为安全性目标,利用混合整数线性规划方法,搜索设计符合安全性目标的通用迭代算法结构R(t,s)。其次,利用该结构设计了认证加密算法AEUR,AEUR由认证加密和解密验证两部分构成,两部分执行过程相同,不需要额外设计操作环节,从而减少算法的资源消耗。再次,通过对比轮数状态值来验证算法的正确性,采用线性攻击、滑动攻击等多种方法分析了算法的安全性。最后,采用C语言对算法进行了软件实现,证明所提算法具有良好的软件实现性能。结果表明,以软件运行时间计算,所提算法相比AEGIS和ALE,效率分别提升了3%和46%;相比AES-GCM和ACORN,效率分别提升了74%和92%,具有较好的综合性能。 展开更多
关键词 认证加密 分组密码ublock 安全性分析 软件实现
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uBlock类结构最优向量置换的高效搜索 被引量:1
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作者 李晓丹 吴文玲 张丽 《计算机研究与发展》 EI CSCD 北大核心 2022年第10期2275-2285,共11页
整体结构是分组密码的重要特征,也是首要的研究对象,对于分组密码的轮数选取、软硬件实现性能都有非常大的影响.对于类AES算法的设计,当选用非最优分支数的矩阵作为列混淆操作时,向量置换(即字换位操作)的选择可有效提高整体结构的安全... 整体结构是分组密码的重要特征,也是首要的研究对象,对于分组密码的轮数选取、软硬件实现性能都有非常大的影响.对于类AES算法的设计,当选用非最优分支数的矩阵作为列混淆操作时,向量置换(即字换位操作)的选择可有效提高整体结构的安全性.uBlock类结构是一种类AES结构,通过研究uBlock类结构的特点及其扩散性,给出了其全扩散轮数的下界及等价类划分准则,提出了一种uBlock类结构最优向量置换的搜索策略.依据全扩散轮数最优、超级扩散层的分支数最优及uBlock类结构扩散层的特殊性质,证明了左右向量置换都不能是恒等变换,给出了uBlock类结构的一系列最优向量置换.该搜索策略大幅度减少了需要测试的置换对,为后续uBlock类算法的设计提供技术支持. 展开更多
关键词 分组密码 ublock类结构 全扩散 超级S盒 最优置换
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uBlock算法的低延迟一阶门限实现方法
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作者 姚富 陈华 范丽敏 《电子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第4期1250-1259,共10页
目前已有文献给出了uBlock分组密码算法的侧信道防护方案,但是这些方案不仅延迟较高,难以适用于低延迟高吞吐场景,而且在毛刺探测模型下缺乏可证明安全性.针对这一问题,本文给出了在毛刺探测模型下具有可证明安全性的uBlock算法的低延... 目前已有文献给出了uBlock分组密码算法的侧信道防护方案,但是这些方案不仅延迟较高,难以适用于低延迟高吞吐场景,而且在毛刺探测模型下缺乏可证明安全性.针对这一问题,本文给出了在毛刺探测模型下具有可证明安全性的uBlock算法的低延迟门限实现方案.此外,我们引入了Changing of the Guards技术来避免防护方案在执行过程中需要额外随机数.对于防护方案的安全性,我们用自动化评估工具SILVER验证了S盒的毛刺探测安全性,并用泄露评估技术TVLA(Test Vector Leakage Assessment)验证了防护方案的整个电路的安全性.最后,我们用Design Compiler工具对防护方案的性能消耗情况进行了评估.评估结果显示,与序列化实现方式的uBlock防护方案相比,我们的防护方案的延迟能够减少约95%. 展开更多
关键词 密码芯片 ublock算法 侧信道攻击与防护 掩码技术 门限实现 Changing of the Guards
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分组密码uBlock算法快速软件实现 被引量:2
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作者 高莹 汪龙昕 +4 位作者 田蕾 胡洋 张宇鹏 严宇 伍前红 《国防科技大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第6期96-106,共11页
为对国产分组密码算法uBlock进行软件优化,选择支持256 bit数据位宽的AVX2指令集,提高编译器自动优化等级,优化函数的调用过程,优化数据存储结构,综合使用高位并行、低延迟指令逻辑优化等方法实现单线程并行计算。通过使用这种有效的组... 为对国产分组密码算法uBlock进行软件优化,选择支持256 bit数据位宽的AVX2指令集,提高编译器自动优化等级,优化函数的调用过程,优化数据存储结构,综合使用高位并行、低延迟指令逻辑优化等方法实现单线程并行计算。通过使用这种有效的组合方法,uBlock-128/128算法、uBlock-128/256算法和uBlock-256/256算法单密钥短消息加密的速度较原代码分别提升269%、182%和49%。基于这些优化方法,uBlock-128/128、uBlock-128/256和uBlock-256/256三个算法版本均实现了单密钥场景与多密钥场景。 展开更多
关键词 ublock算法 AVX2指令集 并行运算 低延迟 快速软件实现
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A Very Compact and a Threshold Implementation of uBlock for Internet of Things
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作者 Botao Liu Ming Tang 《Tsinghua Science and Technology》 2025年第5期2270-2283,共14页
The rapid proliferation of Internet of Things(IoT)devices necessitates lightweight cryptographic algorithms and their secure physical implementations.Masking,as a provably secure countermeasure against Side-Channel At... The rapid proliferation of Internet of Things(IoT)devices necessitates lightweight cryptographic algorithms and their secure physical implementations.Masking,as a provably secure countermeasure against Side-Channel Attacks(SCA),has been extensively studied in the context of lightweight cryptography algorithms.Currently,some cryptographers have proposed a low-cost Threshold Implementation(TI)of the uBlock algorithm.However,their approach suffers from significant area overhead due to the inefficient serial and pipelined implementation of uBlock’s Pshufb-Xor(PX)network structure.To address this issue,we develop a new serial and pipelined implementation method that optimizes the area of the uBlock algorithm.Based on this optimization,we implement a 2-share TI scheme for uBlock that requires minimal area resources and does not need fresh randomness.Compared to the state-of-the-art appoach,our method reduces slice area by 63.4%on Field Programmable Gate Arrays(FPGA)platform and Gate Equivalent(GE)area by 17.2%on Application-Specific Integrated Circuit(ASIC)platform for the unprotected implementation.For the protected implementation,our method reduces slice area by 41.5%and GE area by 14.0%.Finally,our protection scheme is validated using the automated tool PROLEAD and evaluated with Test Vector Leakage Assessment(TVLA),achieving first-order glitch-extended probing security. 展开更多
关键词 ublock Threshold Implementation(TI) MASKING Side-Channel Attacks(SCA) Internet of Things(IoT)
原文传递
一类SP结构的不可能差分区分器证明 被引量:1
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作者 李艳俊 许星霖 《计算机应用研究》 CSCD 北大核心 2021年第5期1529-1532,共4页
针对分组密码SP结构的不可能差分区分器轮数的下界进行证明,提出的方法使用线性代数的理论,对系数矩阵P及P-1进行分析,提出了系数矩阵部分子空间存在两个行向量线性相关时,可证明至少存在四轮不可能差分区分器。uBlock算法是SPN结构,提... 针对分组密码SP结构的不可能差分区分器轮数的下界进行证明,提出的方法使用线性代数的理论,对系数矩阵P及P-1进行分析,提出了系数矩阵部分子空间存在两个行向量线性相关时,可证明至少存在四轮不可能差分区分器。uBlock算法是SPN结构,提出的方法对uBlock算法进行了分析验证,说明了结论的正确性,进一步,使用该算法搜索到比uBlock算法设计文档更多的不可能差分区分器。针对SPN结构线性扩散层P,使用了本原指数的概念,使用线性扩散层P的本原指数对SPN结构不可能差分的轮数进行论证。分析结果表明,分组密码SP结构至少存在四轮不可能差分区分器。 展开更多
关键词 不可能差分分析 扩散层 ublock算法
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基于国产FPGA的可选算法引擎的密码模块实现 被引量:1
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作者 陈雪松 赵海淇 李秀滢 《北京电子科技学院学报》 2024年第1期12-22,共11页
在国产FPGA芯片上设计并实现密码算法是服务于我国关键基础设施建设的一项举措。为探讨新型密码算法模块实现的可行性,基于国产FPGA芯片设计了一款可选算法引擎的硬件密码模块,该模块可集成于嵌入式系统中,基于SPI接口实现了两种分组密... 在国产FPGA芯片上设计并实现密码算法是服务于我国关键基础设施建设的一项举措。为探讨新型密码算法模块实现的可行性,基于国产FPGA芯片设计了一款可选算法引擎的硬件密码模块,该模块可集成于嵌入式系统中,基于SPI接口实现了两种分组密码算法引擎的自主选择以及多组数据的一次性加解密处理。在此基础上,对比分析了在国产FPGA实现的SM4算法引擎和uBlock算法引擎的性能,并将SM4算法部署在国内和国外两款同档次的FPGA芯片上,对两种芯片的性能等方面进行对比分析。实验结果可知,利用国产FPGA芯片实现硬件密码模块具有较好的可行性,为FPGA的国产化替代提供一定的借鉴经验。 展开更多
关键词 国产FPGA SM4 ublock 可选算法 紫光同创 ALTERA
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