基于MQTT- SM4掩码辅助加密算法的配电物联网安全通信

随着“坚强智能电网”、“泛在电力物联网”等战略的部署和发展建设，大量的电力采集设备、机器人、监控摄像头应用在配网作业场景中。因此，针对配网终端数量多和配网作业环境复杂多样化等因素，如何设计合适的通信架构对于保证配网数据的安全稳定传输尤为重要。首先，本文基于当前流行的物联网平台通信协议MQTT、CoAP和HTTP，从多个方面进行对比分析，并设计了一种新颖的配电物联网通信架构。进一步，针对安全性要求，我们基于国密SM4提出MQTT- SM4掩码辅助加密算法对配电物联网信息进行加密传输，通过会话密钥协商获取所需的掩码密钥和消息密钥，并协同计算出轮密钥用于加密。通过对MQTT- SM4掩码辅助加密算法进行加密测试和安全分析，仿真结果表明，本文设计方案能够有效提高配电物联网通信安全性和稳定性。     

一种高性能R-LWE格加密算法的电路结构及其FPGA实现

随着量子计算机的发展,传统的公钥加密方案,如RSA加密和椭圆曲线加密算法(Elliptic curve cryptography,ECC）受到了严重威胁。为了对抗量子攻击,基于格的密码学引起了关注,其中环错误学习（Ring-learning with error,R-LWE）格加密算法具有电路实现简单、抗量子攻击等优点,在硬件加密领域具有极大的应用潜力。本文从硬件应用的角度,提出并实现了一种R-LWE加密方案中多项式乘法的并行电路结构,采用了数论转换（Number theoretic transforms, NTT）方法,并使用了两个并行的蝶形运算单元。结果表明在增加较少硬件资源的情况下,本文设计的算法提升了42%的运算速度。     

基于理想格的两方隐私集合交集协议

当前大多数现有的隐私集合交集（PSI）协议的安全性都是基于数论假设,而随着量子计算理论的发展,基于数论假设的PSI协议将变得不再安全。针对该问题,利用格上函数加密的函数策略解密特性,并通过二进制分解将参与方元素设计成符合LWE加法同态的向量形式,提出了一种基于理想格的半诚实安全的两方PSI协议。安全性方面,使用基于环上错误学习问题（RLWE）的函数加密系统来构造PSI协议,实现了抗量子的安全性。效率方面,协议的通信复杂度为O（w+v）,与参与方元素成正比,保证了较高的通信效率;并且利用理想格使公钥的大小减少n倍,提高了存储效率,降低了通信成本。     

适用于智能家居的格上基于身份多方认证密钥协商协议

随着物联网应用的日益普及,物联网设备终端数量激增、种类多样、层次复杂,常处于不可控的环境之中,因此,确保数据传输过程的安全性和隐私性至关重要。对基于物联网架构的智能家居服务进行探讨得出,启用智能家居应用需涉及多个方面,如用户、云、物联网智能集线器(the IoT smart hub, ISH)和智能设备,它们需要多方验证以进行安全通信。由此提出了一种针对智能家居应用的格上基于身份多方认证密钥协商协议,并证明在eCK模型下是安全的。其安全性可以归约到环上带误差学习(ring learning with errors, RLWE)问题的困难性,能够抗量子计算攻击。所提协议由一个格上基于身份的加密方案转换而成,无须公钥证书,避免了部署一个庞大的公钥基础设施(public key infrastructure, PKI)。通过信息交互实现显式认证,且可具有一定的匿名性质,与其他相关的后量子格上多方认证密钥协商协议方案相比,该协议在安全性和执行效率方面更具优势。     

辫子群上的公钥加密算法

辫子群是一种新兴的适用于量子计算机时代的公钥密码平台,辫子群上已知的用于公钥密码系统的一些难解问题和基于这些难解问题的公钥加密算法都受到不同程度的攻击.辫子群上公钥密码系统的安全性不能仅仅依靠共轭问题的难解性.结合辫子群上非共轭变换和多变量方程组的特点所构造的难解问题,通过增加变量数量来增加问题的难解程度.新的公钥加密算法的安全性建立在新的难解问题之上,随后对其正确性、安全性、效率以及参数选择进行了分析.辫子群上新的公钥加密算法可以抵抗已知的各种攻击,将简单问题复合成多变量难解问题的思路,对公钥密码算法的     

基于NTRU格的异构签密

异构签密是为了解决不同的密码体制之间的安全通信。然而目前构造的异构签密方案的安全性都是基于传统数论困难问题。由于近些年来量子计算机技术的大力发展,使得传统密码体制的安全性受到巨大威胁。为了抵抗量子计算攻击,基于NTRU格设计是从传统PKI公钥密码体制到身份公钥密码体制(TPKI-to-IDPKC)的异构签密方案,而且在随机预言机模式下证明了方案的安全性。该方案与现有的格上异构签密方案相比密钥更小,效率更高。     

后量子加密算法的硬件实现综述

现有的密码体制大多基于RSA、ECC等公钥密码体制,在信息安全系统中实现密钥交换、数字签名和身份认证等,有其独特的优势,其安全性分别依赖于解决整数分解问题和离散对数问题的难度。近年来,随着量子计算机的快速发展,破解上述数学问题的时间大幅减少,这将严重损害数字通信的安全性、保密性和完整性。与此同时,一个新的密码学领域,即后量子密码学应运而生,基于它的加密算法可以对抗量子计算机的攻击,因此成为近年来的热点研究方向。2016年以来,NIST向世界各地的研究者征集候选抗量子密码学方案,并对全部方案进行安全性、成本和性能的评估,最终通过评估的候选方案将被标准化。本文比较了NIST后量子密码学算法征集(第2轮、第3轮)的各个方案,概述目前后量子加密算法的主要实现方法:基于哈希、基于编码、基于格和基于多变量,分析了各自的安全性,签名参数及计算量的特点以及后期的优化方向。PQC算法在硬件实现上的挑战其一是算法规范的数学复杂性,这些规范通常是由密码学家编写的,关注的重点是其安全性而非实现的效率,其二需要存储大型公钥、私钥和内部状态,这可能会导致不能实现真正的轻量级,从而降低硬件实现的效率。本文重点介绍了目前后量子加密算法的硬件实现方式,包括PQC硬件应用程序编程接口的开发,基于HLS的抽象实现和基于FPGA/ASIC平台的硬件实现。PQC方案的硬件化过程中不仅需要算法的高效实现,同时需要抵抗针对硬件结构的侧信道攻击。侧信道攻击可以通过来自目标设备泄露的相关信息来提取密码设备的密钥。本文讨论了后量子加密算法在具体实现和应用中受到侧信道攻击类别和防御对策。     

通用的量子同态加密框架

研究了量子同态加密,提出了一种通用的构造量子同态加密算子的方法,进而建立了构造量子同态加密方案的一种通用框架;通过二值和三值量子态的酉变换,利用该框架构造了相应的量子同态加密方案,与现有文献的构造方案相比,利用该框架构造的量子同态加密方案更具有普遍性;通过安全性分析,该框架的安全性是基于加密算法的安全性和密钥的安全性。由于该框架采用了对称量子加密算法,导致构造量子同态算子时需要加密密钥,从而该框架是一种弱的对称量子同态加密框架。最后,该框架被推广到了量子公钥加密的情形。     

流密码框架下的SM4专用认证加密算法

认证加密算法是能同时满足数据机密性与完整性的对称密码算法,在数据安全领域具有广泛应用。针对基于分组密码的认证加密算法的安全性以及效率需求,提出一种基于SM4轮函数的专用认证加密算法SMRAE。算法采用流密码思想,从SM4底层部件出发,结合Feistel结构设计状态更新函数用于轮变换,处理256 bit消息只需调用4个SM4轮函数指令。在初始化阶段将初始向量和密钥经过16轮迭代,使差分充分随机化;利用SM4加密消息,将生成的密文参与轮变换,实现状态更新和加密并行;解密时先进行消息认证,降低时间消耗,提高算法安全性。安全性分析与实验结果表明SMRAE能够抵抗伪造攻击、差分攻击和猜测攻击等主流攻击,效率高于AES-GCM,与SM4效率相当,具备一定的实用性。     

辫子群混合加密下的按需装配Agent系统

量子计算机技术的进步,使传统公钥密码系统受到了巨大的威胁,特别对基于传统公钥加密的应用系统带来不可估量的损失。与此同时,辫子群公钥密码算法的提出,有效地防止了量子技术对公钥密码的破译而且可以抵抗已知的各种攻击。在研究辫子群密码算法和传统公钥算法、按需装配Agent的概念和系统模型特点的基础上,提出了一种辫子群混合加密方法并有效地应用到按需装配Agent的系统中,从而大大提高了Agent系统的安全性。     

基于编码的抗量子广义签密方案

随着量子计算机的发展以及网络环境的日益复杂,传统的公钥密码为目前的通信环境所提供的安全保障面临着越来越大的威胁,抗量子密码能够有效抵抗量子计算机攻击而受到广泛关注.抗量子密码中的编码密码具有加解密简单、易于操作的特点而成为后量子时代优良的密码方案候选者之一.通过对编码密码进行研究,利用LEDAkem密钥封装机制中对信息进行加密的方法与CFS签名方案相结合,提出了一种基于QC-LDPC码的广义签密方案.新方案可以实现在签名、加密以及签密方案三者之间的自适应转换,由于采用的是LEDAkem的加密方法以及QC-LDPC码,新方案在密钥量方面具有一定优势.通过安全性分析证明新方案满足IND-CPA安全以及EUF-CMA安全,并进一步给出方案转换为IND-CCA2安全的方法,新方案能够适应越发复杂的网络通信,为后量子时代的网络环境提供可靠的安全保障.     

Cost Effective Decentralized Key Management Framework for IoT

Security is a primary concern in communication for reliable transfer of information between the authenticated members, which becomes more complex in a network of Internet of Things (IoT). To provide security for group communication a key management scheme incorporating Bilinear pairing technique with Multicast and Unicast key management protocol (BMU-IOT) for decentralized networks has been proposed. The first part of the proposed work is to divide the network into clusters where sensors are connected to and is administered by cluster head. Each sensor securely shares its secret keys with the cluster head using unicast. Based on these decryption keys, the cluster head generates a common encryption key using bilinear pairing. Any sensor in the subgroup can decrypt the message, which is encrypted by the common encryption key. The remaining part focuses to reduce communication, computation and storage costs of the proposed framework and the resilience against various attacks. The implementation is carried out and results are compared with the existing schemes that have given considerably better results. Thus, the lightweight devices of IoT can provide efficiency and security by reducing their overhead in terms of complexity.     

多变量体制下的代理签密方案

目前大多数代理签密方案的安全性主要是基于传统密码体制下的,随着量子计算技术的发展,传统密码体制下的代理签密方案受到严重威胁,构造抗量子计算的代理签密方案具有重要意义。多变量公钥密码是抗量子计算密码的主要候选者之一,鉴于此,提出多变量密码体制下的代理签密方案,利用有限域上求解非线性多变量多项式方程组问题和多项式同构问题保证了其安全性。分析表明新方案计算速度快、通信代价低,并具有抗量子计算的能力。     

云计算中改进概率公钥加密的移动设备数据隐私保护方法

基于云计算的服务具有许多优势,但外包数据隐私保护一直以来都有待优化解决。针对云计算中资源受限的移动设备外包数据安全问题,提出一种基于改进概率公钥加密的隐私保护方法。使用概率公钥加密算法加密数据;在云中数据通过搜索其空间关键词进行文件检索;在确保数据准确性和隐私安全性的前提下,实现云计算中移动设备外包数据安全有效加密后的隐私保护。仿真实验结果表明,该方案不仅可以确保数据隐私和计算速度,同时能够减少通信开销。相比于双轮可搜索加密(TRSE)方案、可排序多关键词检索加密(MRSE)方案和实时循环移位加密(RRSE)等方案,该方案在可行性和计算效率方面都有所提升。     

基于SM2的无证书加密算法

无证书密码系统中无需证书来管理公钥,同时没有标识密码系统中的密钥委托功能.本文描述一种基于SM2加密算法构造的无证书加密算法,并在随机谕示和代数群模型下证明其安全性可以规约到Gap-Diffie-Hellman复杂性假设.因此构造的算法具有可证明安全性,并可基于已有SM2算法部件快速部署等优势.采用该算法的密码系统具有简洁的密钥管理、高效的算法实现,非常适合物联网等需要轻量级公钥算法的应用场景.     

边缘计算中基于区块链的轻量级密文访问控制方案

密文策略属性基加密(ciphertext-policy attribute-based encryption, CP-ABE)技术可以在保证数据隐私性的同时提供细粒度访问控制.针对现有的基于CP-ABE的访问控制方案不能有效解决边缘计算环境中的关键数据安全问题,提出一种边缘计算环境中基于区块链的轻量级密文访问控制方案(blockchain-based lightweight access control scheme over ciphertext in edge computing, BLAC).在BLAC中,设计了一种基于椭圆曲线密码的轻量级CP-ABE算法,使用快速的椭圆曲线标量乘法实现算法加解密功能,并将大部分加解密操作安全地转移,使得计算能力受限的用户设备在边缘服务器的协助下能够高效地完成密文数据的细粒度访问控制;同时,设计了一种基于区块链的分布式密钥管理方法,通过区块链使得多个边缘服务器能够协同地为用户分发私钥.安全性分析和性能评估表明BLAC能够保障数据机密性,抵抗共谋攻击,支持前向安全性,具有较高的用户端计算效率,以及较低的服务器端解密开销和存储开销.     

基于Niederreiter密码体制的抗量子签密方案

针对后量子时代的网络通信安全问题,对编码密码中的Niederreiter密码体制进行研究,将基于改进Niederreiter密码的双公钥加密方案与Xinmei签名方案相结合,构造一种抗量子签密方案。安全性分析结果表明,该方案能够满足IND-CPA与EUF-CMA安全,并可实现对直接译码攻击以及ISD攻击的良好防御,相比先签名后加密的签密方法,其密文量下降50%,能够为后量子时代用户的网络通信提供机密性与不可伪造性的安全防护。     

一种基于LWE‐CPABE的区块链数据共享方案

为应对量子计算对区块链上基于数论的隐私保护技术所带来的威胁,将区块链技术与格属性基加密算法有效融合,提出一种基于格的后量子CPABE区块链数据共享方案。将容错学习（LWE）作为方案的困难问题假设,构造一种基于格的密文策略属性基加密算法LWE-CPABE,抵御量子计算对公钥密码安全的攻击,实现数据的安全共享。设计算法参数的标准格式化交易结构,以满足LWE-CPABE算法的可追责性。在此基础上,给出交易生成与交易验证智能合约,以实现交易的自动验证与共识。功能性分析与仿真实验结果表明,该方案在算法初始化、加解密以及密钥生成的计算效率方面均优于传统的基于双线性映射理论的CPABE方案,可实现区块链上数据的高效、安全、动态共享与隐私保护,明显提高区块链数据共享安全性。     

Inner product encryption from Middle-Product Learning With Errors

Inner product encryption (IPE) is an important research area of functional cryptosystems. It can improve user access control and fine-grained query, and has a wide range of applications in emerging fields such as cloud computing. Lattice-based inner product encryption has the advantages of resistance to quantum algorithm attacks and relatively simple encryption algorithms, and thus has good application prospects. Currently, the provable security of lattice-based public key encryption schemes is mostly based on the learning with errors (LWE) and polynomial learning with errors (PLWE) problems. However, most of the encryption schemes based on LWE problems suffer from the problem of oversized public keys and ciphers. Although encryption schemes based on the PLWE problem further reduce the size, their hardness is limited by polynomials and the security guarantees are weakened. Compared with the LWE and PLWE problems, the Middle-Product Learning With Errors (MP-LWE) problem relaxes the polynomial restriction and makes full use of the polynomial features to achieve a better balance between security and efficiency. Inspired by this, we have proposed the inner product encryption scheme of Sel-IND-CPA-secure in SocialSec 2022. In this paper, to extend the existing work and improve the functionality of IPE, we construct single-input and multi-input inner product encryption schemes of Ad-IND-CPA-secure, and also evaluate the efficiency of the schemes.