8、轻量级分组密码 SLIM 和 LCB 的差分密码分析

轻量级分组密码 SLIM 和 LCB 的差分密码分析

一、研究背景与贡献

在资源受限设备的安全加密领域，SLIM 和 LCB 这两种 32 位分组密码备受关注。SLIM 使用 80 位密钥，其设计者通过嵌套树搜索进行差分路径搜索后，宣称该密码能抵抗差分攻击，但仅找到一条 7 轮路径，且由于方法的启发式性质，不能保证其在差分概率上的最优性，基于此认为 32 轮加密足以抵抗差分密码分析。LCB 使用 64 位密钥，设计者未给出具体的密码分析结果，仅声称 10 轮加密可抵抗安全攻击。

为验证设计者的安全声明，我们对这两种密码进行了差分攻击研究。对于 SLIM，使用 SMT 求解器寻找差分路径；对于 LCB，因其设计的线性特性，可通过纸笔方法进行密码分析。研究发现，我们找到了 SLIM 所有 32 轮的最优差分路径，存在一条有效的 13 轮路径可对 14 轮的密码进行密钥恢复攻击，虽不威胁完整密码的安全性，但能更准确地评估 SLIM 抵抗差分密码分析的安全边界。对于 LCB，发现其替换盒（S - box）设计存在缺陷，导致密码本质上是线性的，存在概率为 1 的差分区分器，可用于仅密文攻击。通过将 LCB 的 S - box 替换为 PRESENT 的 S - box，发现改进后的 LCB 对差分密码分析的抵抗能力优于 SLIM。

二、预备知识

2.1 符号和缩写

为便于后续分析，先明确一些符号和缩写的定义，如下表所示：
| 符号 | 定义 |
| — | — |
| n | 块大小（位） |
| k | 密钥大小（位） |
| R | 轮数 |
| ⊕ | 二进制异或（XOR）运算