Tạp chí Khoa học và Công nghệ trong lĩnh vực An toàn thông tin

(Journal of Science and Technology on Information security) ISSN 2615-9570

Bài viết

Enhancing SPN ciphers: Dynamic substitution-key addition layers via binary block circulant matrices

DOI: 10.54654/isj.v1i24.1100
Từ khóaMã khối AESBiến đổi AffineHộp thế độngBảng XOR độngMa trận dịch vòng khối nhị phân

Tóm tắt

Mã khối SPN (Substitution-Permutation Network) là một trong những cấu trúc cơ bản và quan trọng trong lĩnh vực mã hóa đối xứng, được sử dụng rộng rãi trong các thuật toán mã hóa hiện đại như AES. Nhờ khả năng phân tán và làm nhiễu dữ liệu hiệu quả, SPN đóng vai trò then chốt trong việc xây dựng các hệ thống mã hóa an toàn và đáng tin cậy. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của mã khối SPN, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm tìm ra các phương thức tấn công thám mã để phá vỡ hệ mật này.  Nhằm nâng cao tính bảo mật của mã khối SPN, các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc động hóa các biến đổi thành phần trong cấu trúc của nó và thường có xu hướng phụ thuộc vào thành phần bí mật là khóa. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đề xuất một phương pháp mới kết hợp động hóa hai thành phần quan trọng: tầng thay thế và tầng cộng khóa của mã khối SPN. Phương pháp này dựa trên việc sử dụng ma trận dịch vòng khối nhị phân, được tạo thành từ sự kết hợp giữa ma trận dịch vòng nhị phân và ma trận Hadamard nhị phân. Thuật toán của nhóm tác giả chỉ cần sử dụng 26 bít khóa nhưng có thể sinh ra tới 228 Sbox phụ thuộc khóa có tính chất mật mã tốt và 233 bảng XOR phụ thuộc khóa. Khi áp dụng các S-box phụ thuộc khóa và bảng XOR phụ thuộc khóa vào làm động mã khối AES có thể làm tăng thêm mức an toàn của mã khối AES động lên 233 so với AES

Lượt tải theo tháng

0132506/2507/2508/2509/2510/2511/2512/2501/2602/2603/2604/2605/26

Di chuột vào cột để xem số lượt tải.

Cách trích dẫn

Trần Thị Lượng, Trương Minh Phương, Nguyễn Văn Long, Nguyễn Nam Khánh (2025). Enhancing SPN ciphers: Dynamic substitution-key addition layers via binary block circulant matrices. Tạp chí Khoa học và Công nghệ trong lĩnh vực An toàn thông tin, 1(24), 12-29. https://doi.org/10.54654/isj.v1i24.1100

Tài liệu tham khảo

  1. 1.. Youssef, A.M., Tavares, S.E. và Heys, H.M., "A new class of substitution-permutation networks", In: Proceedings of the Workshop on Selected Areas in Cryptography (SAC), vol. 96, pp. 132–147, 1996.
  2. 2.. Dodis, Y., Katz, J., Steinberger, J., Thiruvengadam, A. và Zhang, Z., "Provable security of substitution-permutation networks", Cryptology ePrint Archive, 2017.
  3. 3.. Sajjad, M., Shah, T., Hamza, R., Almutairi, B. và Serna, R.J., "Multiple color images security by SPN over the residue classes of Gaussian integer", Scientific Reports, vol. 15, no. 1, pp. 6425, 2025.
  4. 4.. Daemen, J. và Rijmen, V., "AES Proposal: Rijndael (Version 2)", NIST AES Website, 1999.
  5. 5.. Biham, E. và Shamir, A., "Differential cryptanalysis of DES-like cryptosystems", Journal of Cryptology, vol. 4, pp. 3–72, 1991.
  6. 6.. Gilbert, H. và Jean, J.E., "Differential Cryptanalysis", Symmetric Cryptography, Volume 2: Cryptanalysis and Future Directions, pp. 1, 2024.
  7. 7.. Matsui, M., "Linear cryptanalysis method for DES cipher", In: Advances in Cryptology—EUROCRYPT’93, vol. 12, pp. 386–397, 1993.
  8. 8.. Das, A., "Bit-Based MILP Modelling of Non-Bit-Permutation Linear Layers for Linear Cryptanalysis", In: Proceedings of the 2024 19th Asia Joint Conference on Information Security (AsiaJCIS), pp. 1–8, IEEE, 2024.
  9. 9.. Schneier, B., "The Twofish encryption algorithm", Dr. Dobb’s Journal: Software Tools for the Professional Programmer, vol. 23, no. 12, pp. 30–34, 1998.
  10. 10.. Luong, T.T. và Linh, H.D., "Generating key-dependent involutory MDS matrices through permutations, direct exponentiation, and scalar multiplication", International Journal of Information and Computer Security, vol. 23, no. 4, pp. 410–432, 2024.
  11. 11.. Noura, H.N., Salman, O. và Chehab, A., "Conception of efficient key-dependent binary diffusion matrix structures for dynamic cryptographic algorithms", Journal of Information Security and Applications, vol. 76, pp. 103514, 2023.
  12. 12.. T. T. Luong, "Building the dynamic diffusion layer for SPN block ciphers based on direct exponent and scalar multiplication," Journal of Science and Technology on Information Security, vol. 1, no. 15, pp. 38–45, 2022.
  13. 13.. T. T. Luong and T. M. Phuong, "Generating efficient circulant-like MDS matrices for implementation," Journal of Science and Technology on Information Security, vol. 2, no. 22, pp. 58–68, 2024.
  14. 14.. Zhu, H., Tong, X., Wang, Z. và Ma, J., "A novel method of dynamic S-box design based on combined chaotic map and fitness function", Multimedia Tools and Applications, vol. 79, pp. 12329–12347, 2020.
  15. 15.. Waqas, U., Afzal, S., Mir, M.A. và Yousaf, M., "Generation of AES-like S-boxes by replacing affine matrix", In: Proceedings of the 2014 12th International Conference on Frontiers of Information Technology, pp. 159–164, IEEE, 2014.
  16. 16.. Agarwal, P., Singh, A. và Kilicman, A., "Development of key-dependent dynamic S-boxes with dynamic irreducible polynomial and affine constant", Advances in Mechanical Engineering, vol. 10, no. 7, pp. 1687814018781638, 2018.
  17. 17.. Alhadawi, H.S., Majid, M.A., Lambić, D. và Ahmad, M., "A novel method of S-box design based on discrete chaotic maps and cuckoo search algorithm", Multimedia Tools and Applications, vol. 80, pp. 7333–7350, 2021.
  18. 18.. Hussain, I., Anees, A., Al-Maadeed, T.A. và Mustafa, M.T., "Construction of S-box based on chaotic map and algebraic structures", Symmetry, vol. 11, no. 3, pp. 351, 2019.
  19. 19.]Artuğer, F., "A novel algorithm based on DNA coding for substitution box generation problem", Neural Computing and Applications, vol. 36, no. 3, pp. 1283–1294, 2024.
  20. 20.. Maolood, A.T. et al., "Fast Novel Efficient S-Boxes with Expanded DNA Codes", Security and Communication Networks, vol. 2023, no. 1, pp. 5767102, 2023.
  21. 21.. Salih, A.I., Alabaichi, A.M. và Tuama, A.Y., "Enhancing advance encryption standard security based on dual dynamic XOR table and mixcolumns transformation", Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science, vol. 19, no. 3, pp. 1574–1581, 2020.
  22. 22.. Luong, T.T., Cuong, N.N. và Vo, B., "AES Security Improvement by Utilizing New Key-Dependent XOR Tables", IEEE Access, 2024.
  23. 23.. Luong, T.T. và Linh, H.D., "On generating new key dependent XOR tables to improve AES security and evaluating the randomness of the output of block ciphers", International Journal of Information and Computer Security, vol. 23, no. 1, pp. 16–39, 2024.
  24. 24.. Hoang, D.L. và Luong, T.T., "Enhancing block cipher security with key-dependent random XOR tables generated via hadamard matrices and Sudoku game", Journal of Intelligent & Fuzzy Systems, vol. 46, no. 4, pp. 7805–7821, 2024.
  25. 25.. Kim, S.H. và Han, G.T., "Enhanced hybrid encryption method using the half-key exchange and the dynamic S-box and shift-row in AES", Information, vol. 19, no. 2, pp. 683, 2016.
  26. 26.. Prasetiyo, B. và Ardian, M.N., "Enhancement security AES algorithm using a modification of transformation ShiftRows and dynamic S-box", In: Journal of Physics: Conference Series, vol. 1567, no. 3, pp. 032025, IOP Publishing, 2020.
  27. 27.. Navneet, J.R. et al., "AES algorithm with dynamic shift rows and bit permuted mix column", In: Proceedings of the 2023 International Conference on Next Generation Electronics (NEleX), pp. 1–6, IEEE, 2023.
  28. 28.. Artuğer, F. và Özkaynak, F., "A method for generation of substitution box based on random selection", Egyptian Informatics Journal, vol. 23, no. 1, pp. 127–135, 2022.
  29. 29.. Nyberg, K., "Perfect nonlinear S-boxes", In: Workshop on the Theory and Application of Cryptographic Techniques, pp. 378–386, Springer, 1991.
  30. 30.. Burnett, L.D., "Heuristic optimization of Boolean functions and substitution boxes for cryptography", PhD Thesis, Queensland University of Technology, 2005.
  31. 31.. Gupta, K.C. và Ray, I.G., "Cryptographically significant MDS matrices based on circulant and circulant-like matrices for lightweight applications", Cryptography and Communications, vol. 7, pp. 257–287, 2015.
  32. 32.. Han, H., Tang, C., Lou, Y. và Xu, M., "Construction of efficient MDS matrices based on block circulant matrices for lightweight application", Fundamenta Informaticae, vol. 145, no. 2, pp. 111–124, 2016.
  33. 33.. Elumalai, R. và Reddy, A.R., "Improving diffusion power of AES Rijndael with 8x8 MDS matrix", International Journal of Scientific & Engineering Research, vol. 2, no. 3, 2011.
  34. 34.. Sajadieh, M. et al., "On construction of involutory MDS matrices from Vandermonde Matrices in GF(2^q)", Designs, Codes and Cryptography, vol. 64, pp. 287–308, 2012.
  35. 35.. Knudsen, L.R., "Truncated and higher order differentials", In: Fast Software Encryption: Second International Workshop, pp. 196–211, Springer, 1995.
  36. 36.. Kocher, P., Jaffe, J. và Jun, B., "Differential power analysis", In: Advances in Cryptology - CRYPTO’99, vol. 19, pp. 388–397, Springer, 1999.
  37. 37.. Bassham III, L.E. et al., "SP 800-22 Rev. 1a. A statistical test suite for random and pseudorandom number generators for cryptographic applications", NIST Special Publication, 2010.

Bài viết liên quan