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轻量级序列密码研究进展
2020年信息技术与网络安全第12期
王明兴1，2，苗三立1，朱明佳1
1.中国电子信息产业集团有限公司第六研究所，北京102209；2.密码科学技术国家重点实验室，北京100878
摘要： 随着移动通信和物联网的快速发展，在硬件资源受限和功耗较低的应用场景中对密码保护的需求越来越大，密码算法的轻量化成为必然要求，近年来，轻量级序列密码的设计与分析是一个研究热点。首先介绍了四个新型的轻量级序列密码，它们共同的特点是内部状态小于密钥长度的两倍；其次介绍了每种算法的最新安全性评估结果；最后探讨了轻量级序列密码的发展趋势。
中图分类号： TP393
文献标识码： A
DOI： 10.19358/j.issn.2096-5133.2020.12.005
引用格式： 王明兴，苗三立，朱明佳. 轻量级序列密码研究进展[J].信息技术与网络安全，2020，39(12)：25-29.
Research advances on lightweight stream cipher
Wang Mingxing1，2，Miao Sanli1，Zhu Mingjia1
1.The 6th Research Institute of China Electronics Corporation，Beijing 102209，China； 2.State Key Laboratory of Cryptology，Beijing 100878，China
Abstract： With the rapid development of mobile communication and the Internet of Things, the demand for cipher protection increases in the application scenarios with limited hardware resources and low power consumption, and then the lightweighting of cryptographic algorithm becomes an inevitable requirement. In recent years, design and analysis of lightweight stream cipher is a research hotspot. In this paper，we firstly introduce four new lightweight stream ciphers, which common characteristic is that their internal state is less than twice the length of the key; secondly, the latest security evaluation results of each stream cipher are introduced; finally, the development trend of the lightweight stream cipher is discussed.
Key words : small state；lightweight stream cipher；round key function；time memory data tradeoff

0 引言

    序列密码是一种对称密码算法，即加密密钥和解密密钥是相同的。序列密码的经典结构包括两个部件：驱动部件和密钥流输出部件，驱动部件通过迭代运算更新内部状态，输出部件抽取一部分内部状态的比特值，经过复杂运算产生密钥流。加密时，密钥流和明文异或产生密文，解密时，密钥流和密文异或产生明文。通俗地讲，序列密码算法可以认为是分组密码的密钥扩展算法。

    序列密码的一个结构特点是必然有内部状态，这使序列密码容易受到时间存储折中攻击(Time Memory Data Tradeoff，TMD)，为了抵抗这种攻击，通常要求序列密码的内部状态的长度至少是密钥长度的两倍，例如序列密码Grain[1]、Grain-128a[2]系列密码算法，它们的内部状态是密钥长度的两倍，而Trivium算法[3]的内部状态大于密钥长度的两倍。这导致序列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2 580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TMD攻击，又能减小内部状态的长度，研究人员最近几年提出了“小状态”轻量级序列密码研究。那些能够抵抗TMD攻击且内部状态的长度小于密钥长度的两倍的轻量级序列密码，称为小状态轻量级序列密码(Small State Lightweight Stream Cipher)。

    本文介绍了四个小状态的轻量级序列密码算法，依次是Sprout[4]、Fruit-80[5]、Plantlet[6]、Lizard[7]；主要介绍它们的设计理念和最新的分析结果，来发现存在的问题，总结研究成果，促进小状态的轻量级序列密码的研究。




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作者信息:

王明兴1，2，苗三立1，朱明佳1

(1.中国电子信息产业集团有限公司第六研究所，北京102209；2.密码科学技术国家重点实验室，北京100878)

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