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一类级联布尔函数的密码学性质

更新时间:2009-03-28

0 引言

流密码(即序列密码)和分组密码是密码体制实现的两种最基本的方式,布尔函数是实现密码体制的一个重要工具,且在密码学系统的设计中也有着重要的应用[1-2].由于布尔函数的密码学性质(如相关免疫性、代数次数、代数免疫度等)在一定程度上决定了一些密码系统的安全性.因此,研究布尔函数的某些密码学性质以及构造密码学性质较好的布尔函数,长期以来一直是密码学中的重要研究方向,国内外有众多的爱好者在这些方面做了很多研究工作[3-6],其中,相关免疫函数的提出是为了防止密码攻击者对流密码系统进行相关攻击而由Siegenthaler最先提出的.代数免疫度的提出与代数攻击相关[7-8],代数免疫度的概念是Meier等[9]提出的,并且在文中证明了对于n元布尔函数,它的代数免疫度的值能达到的上界值,并且把达到此上界的布尔函数称为代数免疫度最优的布尔函数,而将其代数免疫度的值达到的布尔函数称为代数免疫度次优的布尔函数.自从代数免疫度的定义被提出,关于具有最优代数免疫度的布尔函数的构造问题便引起了广泛关注[10-12].代数免疫度可以在一定程度上衡量所使用布尔函数抵抗代数攻击的能力.

Dalai等人曾采用递归构造的方法,给出了代数免疫最优布尔函数的一种构造,该构造方法利用一个n元布尔函数得到一个n+2元布尔函数[10].但是,在已经知道的构造布尔函数的方法中,级联构造属于一种常用的、重要的构造方法.如h(x,xn+1)=f g=xn+1f(x)⊕(1+xn+1)g(x)的布尔函数就是其中最常见的一种级联布尔函数的构造,通过分析 f(x)与g(x)的性质,可以得到h(x,xn+1)的密码学性质.除此之外,还有其他一些研究者通过级联方法,利用已有的布尔函数构造新的布尔函数,例如文献[13-14]等都是用级联方法构造布尔函数,并从不同方面讨论所构造级联布尔函数的性质.本文也利用级联方法构造一类特殊的级联布尔函数,给出它的Walsh谱与其基函数关系的表达式.并借助这种关系,进而探讨该类级联布尔函数的相关免疫性,代数免疫度.

如果函数在[a,b]上连续,它的最大值和最小值分别是M和m,那么函数的值域是〔m,M〕〔4〕142。若函数y=f(x)在闭区间[a,b]上可导,最大值和最小值可从驻点的函数值及f(a)、f(b)中寻求。

1 预备知识

以下是本文写作过程中所用要到的一些重要定义,记作符号说明及定理.

(1)研究布尔函数密码学性质的重要数学工具之一布尔函数的Walsh变换,也称Walsh谱.布尔函数f的Walsh谱是定义在上GFn(2)的一个实值函数,即:

 

注1 这里的“⋅”表示两个n维向量的点积,即

 

其中,x=(x1,x2,,xn),ω=(ω12,n).

(2)布尔函数的表示方法有多种,如:真值表表示,小项表示,多项式表示等.这里我们仅仅介绍布尔函数的多项式表示——函数的代数正规型(ANF)表示:

 

注2 这里 a0,a1,aij,,a1…nGF(2).布尔函数 f的代数正规型中系数非零项所含有最多变元的个数称为它的代数次数,记为:deg f.

(3)相关免疫函数的提出是为了防止密码攻击者对流密码系统进行相关攻击而提出的.这个概念首先由Siegenthaler提出.相关免疫函数的定义有多种等价形式,本文参考的定义如下:

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同样地,如果 (1+f)⋅f=0,即:

注3 相关免疫函数有许多等价描述,其中Xiao-Massey定理是最简单的、最常用的方法.

由此得W(f1)(0)=W(f2)(0)=0.反之,显然也成立.证毕 .

国内市场:近期国内氯化钾市场价格小幅上涨。协会监测数据显示,国产氯化钾各地批发价格方面,福建、山东、陕西、广东价格相比前周分别上涨200元/吨、50元/吨、50元/吨、20元/吨,其他地区价格保持稳定;进口氯化钾各地批发价格方面,福建、湖北、山东、广东价格相比前周分别上涨83.4元/吨、32.7元/吨、30元/吨、20元/吨,江西价格相比前周下跌50元/吨,其他地区价格保持稳定。

(4)代数免疫度的提出与代数攻击相关,它是2004年Meier等提出的,它可以在一定程度上衡量使用的布尔函数作为组件的流密码抵抗代数攻击的能力.它的提出也为布尔函数提供了一个新的密码学指标.为此,先引入布尔函数的零化子定义:

fBnf的零化子是指满足 fg=0的布尔函数gBn,将布尔函数 f的全体零化子的集合记为:ANn(f).

布尔函数的代数免疫度ANn(f)定义为使 fg=0或者(1+f)⋅g=0成立的非零布尔函数g的最小代数次数,即:

 

注4 因为 f(1+f)=f+f2=0,所以对每一个非零函数 f(x)∈BnAIn(f)≤deg(f).

2 主要结果

首先,本文讨论了级联布尔函数与基函数 f1f2的Walsh谱之间的关系,给出下面的命题.

②如果 f2f2=0 ,那么 f=xn+1xn+2f2AN(f);

 
 

证明 (1)由Walsh循环谱公式:,所以

 

用类似于第一个等式的证明过程,可以证明(2)(3)(4)也成立.证毕.

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命题2 设 f1f2都是GFn(2)上的m阶相关免疫函数,则n+2元布尔函数m阶相关免疫函数的充要条件是

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证明 假设m阶相关免疫函数,则由其定义可知,对于1≤wt(ω)≤mω都有W(f1)(ω)=W(f2)(ω)=0 成立,因此1≤wt(ω,ω12)≤m ,其中 ωGFn(2),ω12GF(2),有 0≤wt(ω)≤m ,因此当wt(ω)=0时,结合命题1得:

 

引理[1](Xiao-Massey定理) 设任意n元布尔函数 f(x),αGFn(2),1≤tnf(x)是t阶相关免疫函数,当且仅当对任意满足1≤wt(α)≤tα,W(f)(α)=0都成立.

注5 由m阶弹性函数的定义即设 f(x)是一个n元布尔函数,若 f(x)既是m阶相关免疫函数,又是平衡函数,则称 f(x)是m阶弹性函数,(布尔函数是平衡函数当且仅当W(f)(0)=0),很容易证明级联函数是平衡函数,可参见文献[13]的证明,而且由此可以得出以下推论:

推论1 设 f1f2GFn(2)上的m阶弹性函数,则n+2元布尔函数也是m阶弹性函数.

最后,探讨所构造级联函数的代数免疫性.为此,首先给出一个符号说明:设 f为任意n元布尔函数,而LDAn(f)表示所有函数 f′∈BnBn表示所有n元布尔函数)的集合.其中 f′是满足等式 ff=0 或者 (1+f)⋅f=0 的最低可能次数的函数.

命题3 设函数,且,则有下面结论成立:

(1)如果d1d2,那么 AIn+2(f)=min{d1,d2}+2;

(2)如果d1=d2=d,那么dAIn+2(f)≤d+2.

证明 (1)首先,我们设 fi∈LDAn(fi),i=1,2,则有

①如果 f1f1=0 ,那么 f=(1+xn+1+xn+2+xn+1xn+2)f1AN(f);

如果 (1+f)1f1=0 ,那么 f=(1+xn+1+xn+2+xn+1xn+2)f1AN(1+f).

命题1 设 f1f2GFn(2)上的布尔函数,ωGFn(2),记,则有以下等式成立:

如果 (1+f2)⋅f2=0 ,那么 f=xn+1xn+2f2AN(1+f).

因此,AIn+2(f)≤min{AIn(f1),AIn(f2)}+2.

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其次,设函数 f=(x,xn+1,xn+2)是达到 f(x,xn+1,xn+2)的代数免疫阶的布尔函数,则 f′(x,xn+1,xn+2)可以表示为4个布尔函数的级联即:

 

如果 ff=0 ,即:

 

因此,有

 

设对任意n元布尔函数 f(x),x1,x2,,xnGF(2)上独立的,均匀分布的随机变量,如果对于任意的 (a1,a2,,am)∈GFm(2),(mn)和 bGF(2),都有成立,那么就称 f(x)与变元xi1,xi2,,xim统计无关,如果 f(x)与x1,x2,,xn中任意m个变元都统计无关,那么就称f(x)是m阶相关免疫的.

 

因此

 

故当 f1f2的代数免疫度不相同时,有

 

(3)温度指示剂:温度指示剂采用一个最大量程为1MA的直流电流表,且满刻度表示 50℃的最大体温。温度传感器与电子温度传感装置紧密相连,可实现温度与数据的实时快速转化。

 

因此当 f1f2的代数免疫度不相等时,有

 

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f1的任意两个不同的零化子和1+f1的任意两个不同的零化子都无相同的最高单项式,故

 

(c)同样的方法,可以证明当 f1f2f3f4中有2个为0、3个为0时的情形也有下式成立

 

故结论(1)成立.

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显然,deg(f′)≥d,又因为deg(f1)≥d,所以,dAIn+2(f)≤d+2,故命题3的结论成立.证毕

3 总结

本文通过级联方法构造了一类特殊的布尔函数,然后分析了它的Walsh谱与其基函数关系的表达式.并借助这种关系,进一步分析本文所构造的这种类型布尔函数的相关免疫性,代数免疫性.通过证明得出文中命题的合理性,而且还能得出,如果构造中所使用的布尔函数的密码学性质较好,那么所构造级联函数的密码学性质也就越好.只是使用级联方法构造布尔函数也有一个弱点:那就是这种方法构造出的新函数中的变元个数大于基础函数中的变元个数.因此,如何构造变元个数不变的布尔函数是今后布尔函数研究者们值得研究的问题.另外,本文所构造的布尔函数的其他性质如:扩散性、平衡性等也可以继续探讨.

下面证明(2)也成立.令

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王春侠,卓泽朋
《淮北师范大学学报(自然科学版)》2018年第01期文献

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