物聯(lián)網(wǎng)中MIBS輕量級(jí)密碼的唯密故障研究

陳培基

摘要：本文對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中MIBS輕量級(jí)密碼的唯密故障分析展開了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，雙重區(qū)分器、三重區(qū)分器能夠達(dá)到更好的增強(qiáng)故障攻擊效率的效果，促使密鑰破譯中故障注入數(shù)量以及攻擊時(shí)間明顯下降，即唯密文故障攻擊會(huì)降低物聯(lián)網(wǎng)中MIBS輕量級(jí)密碼的使用安全。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);MIBS輕量級(jí)密碼;唯密故障

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）18-0055-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（0SID）：

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)得到普及性應(yīng)用，為人們的工作、生活提供了更便捷的條件。但是，相比于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)來說，物聯(lián)網(wǎng)無法有效使用傳統(tǒng)的密碼算法進(jìn)行信息保護(hù)，因此面對(duì)的安全風(fēng)險(xiǎn)就更高。其中，MIBS輕量級(jí)密碼的使用就能夠避免上述問題，為了最大程度保障物理網(wǎng)安全，對(duì)該密碼是否能夠抵抗唯密故障攻擊展開分析具有極高的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 MIBS輕量級(jí)密碼的概述

MIBS輕量級(jí)密碼的長度在64b，迭代輪數(shù)為32輪，相應(yīng)算法中主要包含加密、密鑰編排、解密三大部分[1]。其中，加密與解密部分的操作基本相同，區(qū)別在于子密鑰的使用順序呈現(xiàn)出相反的狀態(tài)。

2 MIBS輕量級(jí)密碼唯密故障分析的主要內(nèi)容

2.1 基本假設(shè)與故障模型

（1）基本假設(shè)

在本次MIBS輕量級(jí)密碼唯密故障分析中，使用的基本假定為唯密文攻擊，具體有：設(shè)定攻擊者可以在同一密鑰的支持下，對(duì)多組隨機(jī)明文落實(shí)加密處理，結(jié)合故障導(dǎo)人以獲取多組錯(cuò)誤密文。

2.2 故障分析步驟

為了確保實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果的科學(xué)性與有效性，在本次研究中，不僅引入了前人研究中提出的區(qū)分器，同時(shí)，對(duì)三重區(qū)分器和雙重區(qū)分器這兩種新型區(qū)分器在唯密文故障分析中的應(yīng)用效果展開了分析，具體的故障分析步驟如下所示：

第一，在主密鑰的支持下，隨機(jī)選擇明文展開加密處理;在迭代加密至30輪的情況下，在右分組內(nèi)選擇任意一個(gè)半字節(jié)單元，并在其中完成故障的導(dǎo)人，以此落實(shí)錯(cuò)誤密文的構(gòu)建。需要注意的是，故障的導(dǎo)人位置與故障擴(kuò)散途徑之間存在著相對(duì)緊密的聯(lián)系，即在導(dǎo)入故障位置不同的情況下，可以在后期恢復(fù)出密鑰的不同位。

第二，在逆向計(jì)算的支持下，可以對(duì)完成故障導(dǎo)人后的錯(cuò)誤密文、中間狀態(tài)以及子密鑰之間存在的邏輯關(guān)系展開整理與推測;此時(shí)引入一部分子密鑰，可以實(shí)現(xiàn)某一組中間狀態(tài)猜測值的確定;在區(qū)分器的支持下，可以實(shí)現(xiàn)中間狀態(tài)分布情況的確定，并在此基礎(chǔ)上展開最后一輪正確密鑰的確定。在MIBS算法中，R30處的故障（迭代加密至30輪后導(dǎo)入故障）不會(huì)對(duì)相應(yīng)子密鑰造成直接性影響，且R32與L31相等。所以，依托R32與y、k32之間的關(guān)系表達(dá)式，就能夠完成猜測值R32的估計(jì)，并聯(lián)合統(tǒng)計(jì)區(qū)分實(shí)現(xiàn)k32的恢復(fù)。此時(shí)，可以列出的表達(dá)式為：R32=P（ML（SL（R 33 ○k32》）○L 33。根據(jù)相應(yīng)關(guān)系式，能夠完成k32的1-6個(gè)半字節(jié)的值的計(jì)算，并推導(dǎo)出R32與k32的20位相關(guān)，實(shí)現(xiàn)k32中20個(gè)位的計(jì)算。重復(fù)上一步操作，即在第七個(gè)半字節(jié)中實(shí)施故障導(dǎo)人，由此獲取k32其余12位。

第三，該步驟的操作與前一步驟操作基本相似，最終實(shí)現(xiàn)所有子密鑰的分析與確定;此時(shí)，參考密鑰編排方案，達(dá)到恢復(fù)主密鑰的效果。

2.3 區(qū)分器

結(jié)合上文能夠了解到，在本次MIBS輕量級(jí)密碼唯密故障分析中，為了保證分析結(jié)果的科學(xué)準(zhǔn)確與有效性，主要使用了9種區(qū)分器（包含7種前人研究中提出的區(qū)分器以及兩種新型區(qū)分器）。

2.3.1 平方歐氏距離區(qū)分器

該區(qū)分器在進(jìn)行正確密鑰的確定中，主要通過判斷密鑰候選值為正確密鑰的概率完成。因此，在應(yīng)用實(shí)踐中，需要計(jì)算樣本值與理論值之間的距離。理論上，所有的中間狀態(tài)取值均表現(xiàn)出均勻分布的狀態(tài)，若是中間狀態(tài)取值偏離均勻分布，則意味著相應(yīng)密鑰候選值為正確密鑰。通常情況下，在SEI（k1）取最大值的條件下，所對(duì)應(yīng)的密鑰候選值為正確密鑰。

2.3.2 擬合優(yōu)度區(qū)分器

在使用該區(qū)分器展開正確密鑰的獲取時(shí)，必須要保證樣本分布率為已知條件。在實(shí)踐中，若樣本與給定分布率之間的擬合相似度最大時(shí)，相應(yīng)密鑰候選值即可判定為正確密鑰。

2.3. 3漢明重量區(qū)分器

該區(qū)分器在應(yīng)用中主要計(jì)算了中間狀態(tài)與等長非零字符串之間的漢明距離。實(shí)踐中，若是漢明重量的取值為最小值時(shí)，則可以判定相應(yīng)密鑰候選值為正確密鑰。

2.3.4極大似然估計(jì)區(qū)分器

該區(qū)分器依托對(duì)樣本信息的觀察，反推出可能出現(xiàn)相應(yīng)樣本結(jié)果的模型參數(shù)值。結(jié)合理論上所有中間值狀態(tài)出現(xiàn)概率的乘積（似然函數(shù)），可以完成正確密鑰的推斷。實(shí)踐中，若是極大似然估計(jì)值達(dá)到最大，即可判定相應(yīng)密鑰候選值為正確密鑰。

2.3.5 擬合優(yōu)度一平方歐氏距離區(qū)分器

該區(qū)分器先使用擬合優(yōu)度算法剔除部分樣本，避免不符合理論分布的樣本對(duì)正確密鑰的確定產(chǎn)生干擾。然后，結(jié)合平方歐氏距離計(jì)算，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)樣本的獲取。較于上述兩種區(qū)分器，該區(qū)分器能夠促使攻擊效率增高，并降低故障注入數(shù)。在具體的計(jì)算與實(shí)踐中，若密鑰候選值GF（k1）達(dá)到最小且SEI（k1）達(dá)到最大時(shí)，即可判定相應(yīng)密鑰候選值為正確密鑰。

2.3.6 擬合優(yōu)度一極大似然估計(jì)區(qū)分器

該區(qū)分器先使用擬合優(yōu)度算法，實(shí)現(xiàn)與理論分布接近程度更高的密鑰候選值的挑選，然后，結(jié)合極大似然估計(jì)計(jì)算，完成挑選出的密鑰候選值對(duì)應(yīng)概率的計(jì)算。較于上述兩種區(qū)分器，該區(qū)分器能夠促使攻擊效率增高，并降低故障注入數(shù)。在具體的計(jì)算與實(shí)踐中，MLE（k1）達(dá)到最大時(shí)，即可判定相應(yīng)密鑰候選值為正確密鑰。

2.3.7 極大似然估計(jì)一平方歐氏距離區(qū)分器

該區(qū)分器先使用極大似然估計(jì)算法完成密鑰候選值的篩選，然后，結(jié)合平方歐氏距離計(jì)算，確定正確密鑰。較于上述兩種區(qū)分器，該區(qū)分器能夠降低故障注入數(shù)。一般情況下，在SEI（k1）取值最大時(shí)，即可判定相應(yīng)密鑰候選值為正確密鑰。

2.3.8三重區(qū)分器

該區(qū)分器先利用窗函數(shù)完成密鑰候選值的篩選，然后依托漢明重量算法再次篩選密鑰候選值，最終，結(jié)合極大似然估計(jì)算法提取正確密鑰。此時(shí)，若是極大似然估計(jì)值達(dá)到最大，即可判定相應(yīng)密鑰候選值為正確密鑰。

2.3.9 雙重區(qū)分器

該區(qū)分器融合了出窗估計(jì)算法、漢明重量算法，在完成樣本篩選后最終確定正確密鑰。通常情況下，若是漢明重量為最小值時(shí)，則可判定相應(yīng)密鑰候選值為正確密鑰。

3 MIBS輕量級(jí)密碼的唯密故障實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與設(shè)備

在本次實(shí)驗(yàn)中，使用設(shè)備有計(jì)算機(jī)、Eclipse實(shí)驗(yàn)平臺(tái);應(yīng)用Java語言完成攻擊環(huán)境的構(gòu)建[3]，實(shí)驗(yàn)流程如前文所述。

3.2 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在“與”故障模型下，想要恢復(fù)最后的密鑰，至少要注入64個(gè)故障;在雙重“與”故障模型下，想要恢復(fù)最后的密鑰，至少要注入24個(gè)故障;想要實(shí)現(xiàn)主密鑰的破譯，至少要注入192個(gè)、72個(gè)故障;若是使用新型區(qū)分器，在破譯中需要注入的故障數(shù)量更少。

總體而言，在雙重“與”故障模型條件下，9種區(qū)分器均可以在較短的時(shí)間內(nèi)并使用更少故障注入量完成子密鑰的破譯，而雙重區(qū)分器或是三重區(qū)分器，所需要注入的故障數(shù)量以及破譯時(shí)長更低。這一結(jié)果表明，新型故障模型以及新型區(qū)分器能夠達(dá)到增強(qiáng)故障攻擊效率的效果，促使密鑰破譯中故障注入數(shù)量以及攻擊時(shí)間明顯下降。

4 總結(jié)

綜上所述，對(duì)MIBS輕量級(jí)密碼對(duì)于抵御唯密文故障的情況進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明：該密碼極容易遭受唯密文故障分析的攻擊;相比于傳統(tǒng)的區(qū)分器來說，新型故障模型以及新型區(qū)分器能夠達(dá)到增強(qiáng)故障攻擊效率的效果，促使密鑰破譯中故障注入數(shù)量以及攻擊時(shí)間明顯下降。

參考文獻(xiàn)：

[1]李瑋，曹珊，谷大武，等.物聯(lián)網(wǎng)中MIBS輕量級(jí)密碼的唯密文故障分析[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2019，56（10）：2216-2228.

[2]崔杰，左海風(fēng)，仲紅.對(duì)輕量級(jí)分組密碼MIBS和l-PRESENT的非對(duì)稱Biclique攻擊[J].中國科學(xué)：信息科學(xué)，2017，47（10）：1395-1410.

[3]伊文壇，魯林真，陳少真.輕量級(jí)密碼算法MIBS的零相關(guān)和積分分析[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2016，38（4）：819-826.

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