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SMS4算法分析及其在3G中的应用

汪迎松  
【摘要】: 为了保障3G通信系统的安全,3GPP定义了数据加密算法F8和完整性认证算法F9,这两个算法都是以同一个分组密码作为内核算法的。从安全性角度考虑,我国需要自主设计一个分组密码作为F8和F9的内核算法。本文从以下几个方面研究了国产算法SMS4作为F8和F9内核算法的可行性: 1.安全性方面,分析了SMS4抵抗线性攻击和差分攻击的能力。对非平衡Feistel结构的SMS4,采用类似于平衡Feistel结构下的分析方法,从理论上建立了SMS4线性偏差概率和SMS4轮函数F线性偏差概率之间的关系式,再进一步根据轮函数F的一轮SP结构特点,建立与S盒线性偏差概率之间的关系式。通过这个关系式求出32轮SMS4线性偏差概率的一个上界。采用类似的分析方法,求出32轮SMS4差分特征概率的一个上界。按照Knudsen的安全标准,根据求出的两个概率上界对SMS4作安全评估。结果表明32轮SMS4具有很强的抗线性攻击和差分攻击能力,满足3GPP对内核算法的线性安全性和差分安全性要求。 2.随机性方面,对内核为SMS4的F8所产生的密钥流随机性进行测试。首先将内核为SMS4的F8用C语言实现,采用不同的主密钥产生100组20000比特密钥流,按照FIPS140-2测试标准对100组密钥流进行了随机性测试。测试结果表明,内核为SMS4的F8产生的密钥流表现出极好的随机性,满足3GPP对内核算法随机性要求。 3.实现效率方面,测试了内核为SMS4的F8用软件实现时的加密速度。采用不同的主密钥产生6组密钥流,记录对同一明文循环加密1000次所用的时间。根据明文大小,将6组时间换算成加密速度。结果表明,内核为SMS4的F8用软件实现时平均加密速度为1.924Mbps,接近达到3GPP对内核算法的实现效率要求。


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