轻量级密码研究综述

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1、轻量级密码研究进展综述摘要：随着物联网的发展，RFID、无线传感器的应用越来越广泛，为了保护这类资源受限设备所传输、处理的数据，轻量级密码应运而生，并成为密码学的一个研究热点，取得了丰富的研究成果。本文介绍了轻量级密码的研究进展，包括轻量级密码的设计要求及设计特点、典型的轻量级分组密码和流密码，并总结了轻量级密码的实现性能和安全性。关键词：分组密码流密码轻量级硬件效率设计分析1.引言随着信息技术、计算机技术以及微电子技术的高速发展，RFID技术开始被大量应用于生产自动化、门禁、公路收费、停车场管理、身份识别、货物跟踪等领域，而由RFID技术与互联网结合

2、实现的物联网作为新一代信息化浪潮的典型代表正逐步深入到人们生活的各个领域中，例如环境监测、现代物流、智能交通等。2009年我们国家提出建立“感知中国”中心，这一举措极大地促进了国内RFID技术和物联网应用的发展。作为信息传递和处理的网络，全面感知、可靠传送和智能处理是物联网的核心功能。要实现可靠数据传送必须以密码算法为基础提供相应的安全服务，所以相应的密码算法研究是保障物联网安全运行的关键技术之一。而与物联网关系密切，也需要密码算法作为基础支撑的无线传感器网络也是近年来发展迅猛的领域之一。作为密码算法的使用环境，无线传感器和物联网具有共同的特征：首先，

3、它们的应用组件不同于传统的台式机和高性能计算机，而是计算能力相对较弱的嵌入式处理器；其次，由于应用环境的关系，计算可使用存储往往较小；最后，考虑到各种设备的功能需求，能耗必须限制在某个范围之内。因此传统密码算法无法很好地适用于这种环境，这就使得受限环境中密码算法的研究成为一个热点问题。适宜资源受限环境使用的密码算法就是所谓的轻量级密码。源于应用的推动，近几年，轻量级密码的研究非常热，取得了丰富的研究成果。国际标准化组织正在制定轻量级密码的相关标准，其中包括轻量级的分组密码、流密码、数字签名等。本文介绍轻量级密码的研究进展，包括轻量级密码的设计要求及设计

4、特点、典型的轻量级密码算法，以及典型的轻量级密码算法的实现效率和安全性分析。1.设计需求及特点1.1轻量级密码的特点轻量级密码与传统密码相比有几个特点：首先，资源受限的应用环境通常处理的数据规模比较小，因此，对轻量级密码吞吐量的要求比普通密码要低的多；其次，RFID和传感器等应用通常对安全性的要求不是很高，适中的安全级别即可；再次，轻量级密码大多采用硬件实现，由于实现环境条件的限制，除了安全性之外，轻量级密码算法追求的首要目标是实现所占用空间及实现效率。简单的说，就是应用环境对轻量级密码硬件实现的芯片大小有严格的限制。在这些环境下，为了追求实现，轻量级

5、密码有的不实现密钥扩展算法而是采用机器内置密钥；有的不提供解密算法。这些特点使得轻量级密码的密钥长度多为64比特和80比特。需要特别强调的是，轻量级其实是依据密码的应用环境、实现的资源需求提出的一个概念，所以严格来讲轻量级可以指密码的轻量级实现，也可以指轻量级密码。前者是指普通环境中可以使用的传统密码（如DES、AES等）经过实现技术上的改进，可以满足资源受限环境的需求，例如，已有研究者提出了一种低功耗、低成本的AES实现，该实现仅需要等效门（GE）3200[1]。后者则指针对某种或是某类资源受限环境特别设计的密码算法，例如，PRESENT[2]。当然

6、，也有从改进实现技术和对组件进行轻量化两个方面入手的设计，比如DESL类算法[3]。2.2轻量级密码的设计轻量级密码的设计目的不是要代替传统密码，而是要适用于资源受限的设备，且能提供足够的安全性，并有良好的实现效率。每个轻量级密码设计者都要在安全、成本和实现效率之间权衡。对于分组密码，密钥长度提供一个安全和成本的平衡，而总的轮数提供一个安全和实现效率的平衡，硬件结构则提供成本和效率的平衡。一般来说，优化这三个设计目标中的任意两个安全和成本、安全和效率或成本和效率是比较容易的；但是要同时优化三个设计目标就困难了。例如，通过采用流水线和抗边信

7、道的结构可以获得安全和高效的硬件实现，但结果是需要更多的面积，当然还有高成本。另一方面，设计一种安全低成本的硬件实现也是可能的，但在效率方面会有缺点。安全永远是密码算法追求的第一目标，但在轻量级分组密码的设计中，由于在资源受限环境中对于安全的要求一般不是特别高，所以算法实现效率就成了首要考虑的问题，轻量级分组密码设计处处都体现着安全性与效率的平衡和博弈。首先，基于资源受限的要求，大多数轻量级密码算法采用4×4的S盒，这便是效率优先的一个抉择。其次，扩散层一般采用易于实现的拉线方式，同时保证雪崩效应。目前，除了改进原有密码算法的实现技术来适应受限环境的应

8、用之外，轻量级密码的设计主要通过两种方法实现。第一种方法就是在现有密码算法的基础上，对密码算法