基于字节置换密钥编排优化的PRESENT变体算法

来源：计算机工程与应用杂志2026年第13期北京时间：

作者：黄剑聪, 李浩楷, 金文海, 庄丽萍, 龚征

单位：华南师范大学 计算机学院，广州 510631；

摘要：轻量级分组密码PRESENT具有良好的单密钥差分分析抵抗能力和优越的硬件加密性能，但其密钥编排算法影响了其在相关密钥环境下的安全性表现，并影响其加密实现性能。为了全面评估PRESENT-80/128抵抗相关密钥密码分析的能力，构建了基于约束规划（constraint programming，CP）的自动化搜索模型。在相关密钥差分分析（related-key differential analysis）模型中，实现了对不同轮数下活跃S盒个数下界及差分传播概率上界的精确求解；在相关密钥三明治分析（related-key sandwich analysis）模型中，基于上述差分传播路径，实现了对相关密钥三明治区分器的精确搜索。实验结果表明，将PRESENT-80/128的活跃S盒个数下界的搜索记录推进至18/16轮；同时，给出了PRESENT-80/128的相关密钥三明治区分器，其最长轮数为14/17轮。此外，为改善算法的密钥编排算法并提升其加密实现性能，结合元启发算法，提出了一种基于字节置换方案的新密钥编排算法。安全性评估结果表明，在相关密钥差分/三明治分析下，基于字节置换密钥编排优化的PRESENT-80/128变体算法，具有不低于原算法的抵抗能力。在X86与ARM平台上的软件性能测试结果表明，改进PRESENT-80/128的软件加密速度分别提升了79.56%/70.83%和75.05%/65.10%；在使用SMIC?180?nm工艺库的硬件综合测试中，改进算法的等效门电路（gate equivalent，GE）面积减少了34.67 GE/69.34?GE。

关键词：PRESENT,相关密钥差分分析,相关密钥三明治分析,约束规划（CP）模型,密钥编排算法

基金资助：国家自然科学基金（U2336209）；广东省基础与应用基础研究基金（2022A1515140090）。