密碼算法在智能卡上的應用發展綜述

　　摘要：在過去的十年中，智能卡上的計算能力發展迅速，基于 公鑰的智能卡廣泛應用于各個領域。2001年Borst總結了智 能卡上應用的各種密碼算法以及關于這些算法的攻擊。

　　在過去的十年中，智能卡上的計算能力發展迅速，基于 公鑰的智能卡廣泛應用于各個領域。2001年Borst總結了智 能卡上應用的各種密碼算法以及關于這些算法的攻擊。從那以后，關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的攻 擊。另外不太為人注意的還有，對于像A5/l(應用于GSM 中) 和EO(應用于藍牙中)這樣的流密碼分析技術也取得了不小 的進步。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的安全填充技術也成為一個研究 熱點。

1 消息認證碼

　　消息認證碼實際上是對消息本身產生的一個冗余的信 息，消息認證碼是利用密鑰對要認證的消息產生新的數據塊 并對數據塊加密生成的，它對于要保護的信息來說是一一對 應的。因此消息認證碼可以有效保證消息的完整性，以及實現發送方消息的不可抵賴和不可偽造。消息認證碼的安全性主要取決于兩點：首先，采用的加密算法，即所謂的數字簽名;其次，是待加密的數據塊的生成方法。

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

　　而對于消息認證碼的主要攻擊目標也是找到一對或者多對碰撞消息。對于現有的攻擊方法，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已經成為當務之急，消息認證碼的實現也會隨之改變。

2 分組密碼

　　分組密碼在密碼領域廣泛使用，除了本身的幾種工作模式之外，它可以用來構建MAC，也可以用來構建哈希函數、偽隨機函數等等。分組密碼具有速度快、易于標準化和便于軟硬件實現等特點，通常是信息域網絡安全中實現數據加密、數字簽名、認證及密鑰管理的核心體制，它在計算機通信和信息系統安全領域中有著最廣泛的應用。

　　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，各國的密碼學工作者也對它進行了深入的分析，它是迄今為止使用最廣泛和最成功的分組密碼。DES的輪函數采用Feistel網絡，8個s盒，擴充、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有陷門。早期的迭代分組密碼設計主要圍繞DES進行，后來在此基礎上有很大的發展，出現了眾多的Feistel型密碼，DES的設計至今仍閃爍著人類設計思想的精華，其結構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計密碼算法。IDEA是X.Lai和J.L.Massey于1990年發表的，當時稱為PES，1992年改名為IDEA。IDEA是第一個不使用Feistel網絡的分組密碼。IDEA的安全性設計思想是：采用同一明文空間上的三個不同的群運算，使隱蔽、混淆和擴散融為一體。IDEA是分組密碼的杰出代表，開創了新的一類設計風格。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，這點也表明需要對其密鑰拓展算法重新設計。此后出現的NEA也是一種IDEA型的密碼。

　　Rijndael是AES活動的最終勝利者，現已替代DES成為美國新的加密標準。Rijndael輪函數的設計基于寬軌跡策略，這種設計策略是針對差分密碼分析和線性密碼分析制定的，主要包括兩個設計準則：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，適當選擇線性變換，使得固定輪數巾的活動S盒的個數盡可能多。如果差分特征(或線性逼近)中某一輪的活動s盒的個數比較少，那么下一輪中的活動s盒的個數就必須要多一些。寬軌跡策略的最大優點是可以估計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域的領先地位并增強密碼在歐洲工業中的應用 作為歐洲新一代的加密標準，Camellia算法具有較強的安全性，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出與之相當的加密速度。除了在各種軟件和硬件平臺上的高效性這一顯著特點外，它的另外一個特點是針對小規模硬件平臺的設計。