[发明专利]基于非易失性存储器的轻量级流密码算法实现方法

说明书

本发明公开了基于非易失性存储器的轻量级流密码算法实现方法，该方法结合CKEY和CIV思想，基于2个NFSR，以及1个非易失性存储器，构造一个轻量级流密码算法，将2个NFSR串联，1个非易失性的外部存储器存储初始向量和密钥前缀，并使用选择函数对参与的非易失性状态比特进行选择，选择的状态比特在算法初始化过程和密钥流产生过程参与运算；最终选取2个NFSR的部分状态经过复杂的输出函数，得到输出比特；在算法初始化过程中，输出函数的输出参与内部状态的更新；密钥流生成阶段，输出函数的输出为密钥比特且不参与更新。该方法在降低硬件开销的同时，有效抵抗TMDTO攻击，提高算法安全性。

技术领域

本发明涉及信息安全领域，具体是基于非易失性存储器的轻量级流密码算法实现方法。

背景技术

流密码是对称密码系统的一个重要分支，其实现简单，加解密速度快，便于软硬件实施。流密码应用广泛，经典的流密码算法包括eSTREAM中的Grain v1、MICKEY 2.0和Trivium等，这些算法一般采用比特级操作，适用资源受限环境。

流密码的一个结构特点是必然有内部状态，这使其容易受到时间-存储-数据权衡(TimeMemory Data Tradeoff，TMDTO)攻击。为抵抗这种攻击，通常要求流密码的内部状态的长度至少是密钥长度的两倍，例如Grain、Grain-128a系列算法的内部状态是密钥长度的两倍，而Trivium算法的内部状态大于密钥长度的两倍。这种情况导致流密码在硬件实现时所占用的硬件资源代价过大，例如Trivium算法的硬件面积是2580门，不适用于资源受限、低功耗、物联网等新的应用场景。

为了既能抵抗TMDTO，又能减小内部状态的长度，研究人员最近几年提出“小状态”轻量级流密码。所谓小状态是指既能够抵抗TMDTO攻击且内部状态的长度小于密钥长度两倍。相应的轻量级流密码算法包括Sprout、Fruit、Lizard和Plantlet等，这些算法整体结构高度相似，都基于Grain算法的驱动结构采用线性或者非线性反馈移位寄存器(Linear/Nonlinear Feedback Shift Register，LFSR/NFSR)的串联结构。目前，轻量级流密码形成了三种通用结构：(1)Lizard；(2)CKEY(Continuous Key)构造；(3)CIV(Continuous IV)构造。

传统流密码多使用反馈移位寄存器，即易失性的寄存器；除了易失性寄存器之外，越来越多的算法开始使用非易失性存储器，使用存储在非易失性存储器中的值不仅可以减少内部寄存器大小，使算法硬件面积减小，还能提供更高的安全级别。流密码Fruit、Plantlet和Sprout在其状态更新期间连续使用存储在非易失性存储器中的密钥，附加的密钥位将增强与易失性内部状态位相关的生日界限之外的安全性。然而，这种CKEY构造被证明对通用TMDTO攻击的抵抗能力最多为内部状态大小的一半。与CKEY相反，CIV不使用初始密钥，而是使用初始值作为非易失性部分，尽管该构造方法被提出，但是到目前为止还没有基于CIV结构的流密码算法。

发明内容

本发明的目的是提供一种安全强度高，能够有效抵抗TMDTO攻击且硬件开销小，适合资源受限环境的基于非易失性存储器的轻量级流密码算法实现方法，该方法结合CKEY和CIV思想，基于2个NFSR，以及1个非易失性存储器，构造一个轻量级流密码算法，以非易失性存储器存储密钥和初始向量，并通过选择函数使其分别参与到初始化和密钥流的生成过程中，在降低硬件开销的同时，有效抵抗TMDTO攻击，提高算法安全性。

实现本发明目的的技术方案是：

基于非易失性存储器的轻量级流密码算法实现方法，主要包括如下步骤：

(1)构造轻量级流密码算法

选择2个NFSR部件，分别是NFSR1和NFSR2，设计1个非易失性存储器，构造轻量级流密码算法；