密碼算法在智能卡上的應(yīng)用發(fā)展綜述

　　摘要：在過去的十年中，智能卡上的計(jì)算能力發(fā)展迅速，基于 公鑰的智能卡廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。2001年Borst總結(jié)了智 能卡上應(yīng)用的各種密碼算法以及關(guān)于這些算法的攻擊。

　　在過去的十年中，智能卡上的計(jì)算能力發(fā)展迅速，基于 公鑰的智能卡廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。2001年Borst總結(jié)了智 能卡上應(yīng)用的各種密碼算法以及關(guān)于這些算法的攻擊。從那以后，關(guān)于密碼算法的各種攻擊也越來越多，其中比較著名 的有對于MD5和SHA一1的攻擊以及其他對哈希函數(shù)的攻 擊。另外不太為人注意的還有，對于像A5/l(應(yīng)用于GSM 中) 和EO(應(yīng)用于藍(lán)牙中)這樣的流密碼分析技術(shù)也取得了不小 的進(jìn)步。在分組密碼方面，AES的采用一定程度上保證了安 全性。公鑰密碼方面，RSA的安全填充技術(shù)也成為一個研究 熱點(diǎn)。

1 消息認(rèn)證碼

　　消息認(rèn)證碼實(shí)際上是對消息本身產(chǎn)生的一個冗余的信 息，消息認(rèn)證碼是利用密鑰對要認(rèn)證的消息產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)塊 并對數(shù)據(jù)塊加密生成的，它對于要保護(hù)的信息來說是一一對 應(yīng)的。因此消息認(rèn)證碼可以有效保證消息的完整性，以及實(shí)現(xiàn)發(fā)送方消息的不可抵賴和不可偽造。消息認(rèn)證碼的安全性主要取決于兩點(diǎn)：首先，采用的加密算法，即所謂的數(shù)字簽名;其次，是待加密的數(shù)據(jù)塊的生成方法。

　　消息認(rèn)證碼不支持可逆性，是多對一的函數(shù)，其定義域由任意長的消息組成，而值域是由遠(yuǎn)小于消息長度的比特串構(gòu)成。從理論上來說，一定存在不同的消息產(chǎn)生相同的認(rèn)證碼，因此必須找到一種足夠單向和強(qiáng)碰撞自由性的方法才是安全的。

　　而對于消息認(rèn)證碼的主要攻擊目標(biāo)也是找到一對或者多對碰撞消息。對于現(xiàn)有的攻擊方法，有些可以攻擊任意類型的哈希方案，有些只針對特定的哈希方案。自從2004年MD5算法被攻破以后，SHA也面臨被攻破的危險。因此，尋找一種足夠安全的單向哈希函數(shù)已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急，消息認(rèn)證碼的實(shí)現(xiàn)也會隨之改變。

2 分組密碼

　　分組密碼在密碼領(lǐng)域廣泛使用，除了本身的幾種工作模式之外，它可以用來構(gòu)建MAC，也可以用來構(gòu)建哈希函數(shù)、偽隨機(jī)函數(shù)等等。分組密碼具有速度快、易于標(biāo)準(zhǔn)化和便于軟硬件實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，通常是信息域網(wǎng)絡(luò)安全中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密、數(shù)字簽名、認(rèn)證及密鑰管理的核心體制，它在計(jì)算機(jī)通信和信息系統(tǒng)安全領(lǐng)域中有著最廣泛的應(yīng)用。

　　第一個廣泛使用的分組密碼算法是DES算法。DES自1977年公布后得到了許多組織、部門的使用，各國的密碼學(xué)工作者也對它進(jìn)行了深入的分析，它是迄今為止使用最廣泛和最成功的分組密碼。DES的輪函數(shù)采用Feistel網(wǎng)絡(luò)，8個s盒，擴(kuò)充、壓縮置換、塊置換。其算法簡潔、快速且加解密相似。但一個明顯的缺陷是s盒為黑盒，因此公眾長久地抱怨并懷疑它設(shè)有陷門。早期的迭代分組密碼設(shè)計(jì)主要圍繞DES進(jìn)行，后來在此基礎(chǔ)上有很大的發(fā)展，出現(xiàn)了眾多的Feistel型密碼，DES的設(shè)計(jì)至今仍閃爍著人類設(shè)計(jì)思想的精華，其結(jié)構(gòu)和部件仍在被后人效仿。但是它的密鑰長度太短，僅為56比特，已經(jīng)不能抵抗窮盡密鑰搜索攻擊。

　　對DES的成功破譯迫使人們重新設(shè)計(jì)密碼算法。IDEA是X.Lai和J.L.Massey于1990年發(fā)表的，當(dāng)時稱為PES，1992年改名為IDEA。IDEA是第一個不使用Feistel網(wǎng)絡(luò)的分組密碼。IDEA的安全性設(shè)計(jì)思想是：采用同一明文空間上的三個不同的群運(yùn)算，使隱蔽、混淆和擴(kuò)散融為一體。IDEA是分組密碼的杰出代表，開創(chuàng)了新的一類設(shè)計(jì)風(fēng)格。但是IDEA存在大量的弱密鑰，這與其密鑰拓展算法只是線性變換有關(guān)，這點(diǎn)也表明需要對其密鑰拓展算法重新設(shè)計(jì)。此后出現(xiàn)的NEA也是一種IDEA型的密碼。

　　Rijndael是AES活動的最終勝利者，現(xiàn)已替代DES成為美國新的加密標(biāo)準(zhǔn)。Rijndael輪函數(shù)的設(shè)計(jì)基于寬軌跡策略，這種設(shè)計(jì)策略是針對差分密碼分析和線性密碼分析制定的，主要包括兩個設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：首先，選擇差分均勻性比較小和非線性度比較高的s盒;其次，適當(dāng)選擇線性變換，使得固定輪數(shù)巾的活動S盒的個數(shù)盡可能多。如果差分特征(或線性逼近)中某一輪的活動s盒的個數(shù)比較少，那么下一輪中的活動s盒的個數(shù)就必須要多一些。寬軌跡策略的最大優(yōu)點(diǎn)是可以估計(jì)算法的最大差分特征概率和最大線性逼近概率，由此可以評估算法抵抗差分密碼分析和線性密碼分析的能力。繼美國征集AES的活動之后，歐洲在2000年3月啟動了NESS1E大計(jì)劃，目的是為了推出一系列的安全的密碼模塊，保持歐洲在密碼研究領(lǐng)域的領(lǐng)先地位并增強(qiáng)密碼在歐洲工業(yè)中的應(yīng)用 作為歐洲新一代的加密標(biāo)準(zhǔn)，Camellia算法具有較強(qiáng)的安全性，能夠抵抗差分和線性密碼分析等已知的攻擊。與AES相比，Camellia算法在各種軟硬件平臺上表現(xiàn)出與之相當(dāng)?shù)募用芩俣?。除了在各種軟件和硬件平臺上的高效性這一顯著特點(diǎn)外，它的另外一個特點(diǎn)是針對小規(guī)模硬件平臺的設(shè)計(jì)。