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缩减轮数下SPARX-128算法的脆弱性剖析与攻击策略研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在当今数字化时代，信息安全已成为保障个人隐私、企业利益乃至国家主权安全的关键要素。随着信息技术的飞速发展，数据的传输与存储面临着日益严峻的安全挑战，各种网络攻击手段层出不穷，如数据窃取、篡改、恶意注入等，给信息的必威体育官网网址性、完整性和可用性带来了极大威胁。分组密码作为信息安全领域的核心技术之一，在数据加密、数字签名、身份认证等众多应用场景中发挥着至关重要的作用，它能够将明文通过特定的加密算法转化为密文，只有拥有正确密钥的接收方才能将密文还原为明文，从而确保数据在传输和存储过程中的安全性。

SPARX-128算法作为一种基于ARX（Addition-Rotation-XOR）结构的分组密码算法，自2016年在ASIACRYPT会议上被提出以来，凭借其独特的设计理念和良好的性能表现，在密码学界引起了广泛关注。它的设计目标是提供可证明的安全性，以抵御单特征线性和差分密码分析等常见攻击手段，这使其在对安全性要求极高的应用领域，如金融交易安全、军事通信必威体育官网网址、政府机密文件保护等，具有潜在的应用价值。例如，在金融行业中，大量的客户交易数据和敏感信息需要进行加密传输与存储，SPARX-128算法的安全性能够有效防止这些数据被窃取或篡改，保障金融交易的正常进行和客户的资金安全；在军事通信中，机密情报的传递必须确保高度的必威体育官网网址性，SPARX-128算法可用于加密军事指令、作战计划等重要信息，防止敌方截获和破解，维护国家的军事安全。

然而，密码算法的安全性并非绝对，随着计算技术的不断进步和密码分析方法的日益成熟，对现有密码算法进行安全性评估和分析成为了保障信息安全的必要举措。缩减轮数攻击作为一种重要的密码分析方法，在研究密码算法的安全性方面具有独特的价值。通过对算法进行缩减轮数攻击研究，可以深入了解算法在简化情况下的安全弱点，进而推断其在完整轮数下可能存在的安全隐患。这不仅有助于发现算法设计中的潜在缺陷，为算法的改进和优化提供方向，而且对于评估算法在实际应用中的安全性具有重要的指导意义。例如，在某些资源受限的环境中，如物联网设备、移动终端等，由于硬件性能和计算资源的限制，可能无法支持完整轮数的加密算法运行，此时缩减轮数攻击的研究结果可以帮助评估在这种情况下算法的安全性是否仍然能够满足实际需求，从而为实际应用中的安全决策提供依据。

此外，对SPARX-128算法进行缩减轮数攻击研究，还能丰富和完善密码分析理论与方法体系。在密码分析领域，每一次对新算法的攻击研究都是一次探索和创新的过程，通过尝试不同的攻击思路和方法，有可能发现新的密码分析技术和理论，推动整个密码分析学科的发展。同时，这也有助于促进密码算法设计者与密码分析者之间的良性互动，激励设计者不断改进算法，提高其安全性，以抵御各种已知和未知的攻击手段，从而推动信息安全技术的不断进步。

1.2国内外研究现状

自SPARX-128算法提出以来，其安全性分析受到了国内外密码学界的广泛关注，众多学者从不同角度、运用多种密码分析方法对该算法进行了深入研究，在缩减轮数攻击方面取得了一系列具有重要价值的成果。

在国外，早期研究主要聚焦于算法的基本特性分析。例如，算法设计者对其设计理念和抵御常见单特征线性和差分密码分析的能力进行了阐述，为后续的安全性研究奠定了理论基础。随着研究的深入，一些学者开始尝试对算法进行缩减轮数攻击研究。MohamedTolba等人在2018年发表的论文“MultidimensionalZero-CorrelationLinearCryptanalysisofReducedRoundSPARX-128”中，提出了针对SPARX-128两种变体（SPARX-128/128和SPARX-128/256）的零相关区分器，该区分器最初能覆盖5步（20轮）。随后，他们通过在输出端使用特定线性掩码，并利用所采用的线性层和S盒的某些属性，成功将区分器扩展到5.25步（21轮）。进一步地，通过挖掘密钥调度的一些属性，他们将20轮区分器扩展4轮，对SPARX-128/256发起了24轮多维零相关攻击，即10步中的6步；利用开发的21轮区分器，将24轮攻击扩展为针对SPARX-128/256的25轮（10步中的6.25步）零相关攻击；同时，将21轮区分器扩展一轮，对SPARX-128/128发起了22轮多维零相关攻击，即8步中的5.5步。这些研究成果表明，SPARX-128在缩减轮数情况下存在一定的安全弱点，为