国科大团队，特等奖！

近日，2023第八届全国密码技术竞赛决赛在乌鲁木齐落下帷幕。由中国科学院大学（以下简称“国科大”）密码学院教授孙思维指导，张志宇、牛钟锋、徐若洲3名研究生组成的UCAS_CRYPTO团队获特等奖。

全国密码技术竞赛以“提高密码意识、普及密码知识、实践密码技术、发现密码人才”为宗旨，主要面向全国高等院校学生。本届竞赛共吸引了来自全国各地93家高校、科研机构和密码产业单位488支团队的1500余名师生和科技工作者参加。经过角逐，决赛最终评选出特等奖2项、一等奖19项、二等奖35项、三等奖87项。

团队（左二至左四）获奖合影

聚焦难点

“UCAS_CRYPTO”，顾名思义，寓意“国科大密码学院”。这支年轻团队本次获得特等奖的作品，叫《ARX密码自动化分析工具的设计和实现》，并以“AutoARX 面向ARX密码的自动化分析工具”为题作了报告。

ARX密码，是仅采用模加（Addition）、旋转移位（Rotation）和异或（Xor）三种运算构造的对称密码算法，具有良好的混淆扩散性质，无需查找表实现，便能抵御基于计时的侧信道攻击。同时，其运算指令高效、软件实现简洁紧凑。

目前，多种ARX密码已经成为相关领域的国际标准或者国家标准。在常见的OpenSSL等安全软件、TLS等安全协议和数字货币中，也都有ARX密码应用的身影。

作品报告封面

与传统基于S盒设计的对称密码算法相比，ARX对称密码算法的非线性部件模加的规模较大，其相应的密码学性质不能通过枚举所有输入来得到。考虑到这个难点，“我们首先通过一些数学工具，推导出其相应密码学性质规律，并将其进行自动化建模。” 2019级网络空间安全专业硕博连读生张志宇说道。

基于此，围绕对称密码算法自动化分析，在现有研究成果基础上，团队设计并实现了一款专为ARX对称密码而开发的自动化分析工具。

2019级信息安全专业直博生牛钟锋表示，“这一工具具备差分分析、线性分析和差分-线性分析等自动化密码分析功能，能够以一种高效而迅速的方式，为ARX密码算法的安全性提供简明的评估。”

队员在研讨

分工协作

“大厦根基不能建在火柴上”，一款分析工具的诞生，离不开理论基础。

这是牛钟锋在团队中的主要工作，“在研究、总结前人对ARX密码多种分析方法下，我们提出了差分-线性分析新的相关度评估方法。”

这一方法，利用有理基数技术，将差分-线性分析的相关度的计算转化为多个矩阵相乘，能够在多项式时间内计算ARX密码算法差分-线性区分器的相关度，为平台建设提供理论基础。同时，在最紧张的几天时间里，牛钟锋不断打磨设计文档的报告撰写细节，力求通俗易懂、理论扎实。

队员在研究文献

有了基础，技术就要跟上。

张志宇便主要负责平台的技术实现，“根据牛同学提供的分析理论，我们实现了相应的自动化建模方法。”此外，他还负责整体规划设计，进而确保平台的正确性、高效性、易用性和可扩展性。

在这过程中，队员不断优化和修正文档和代码。“复赛时，我们团队最终形成了超过100页的设计文档、包含3种使用方式和5种分析方法的分析平台。”让张志宇印象深刻的，莫过于平台建设和海量的文档撰写。

参赛期间，张志宇写代码时，想到需要实现一个Web功能，正苦恼如何实现。这时候，负责搭建Web端的2021级网络与信息安全专业硕士生徐若洲，隔天早上就给了张志宇一个接近完美的解决方案。

队员在编程

Web端，是呈现整个平台的重要载体。

期间，徐若洲使用Python和Django等框架，搭建起平台的Web界面，让用户通过浏览器可以更方便地进行ARX密码分析。“孙老师经常把我们拉到一起开讨论会，指导如何做修改和演示。队员也一起合力修改文档、打磨作品，非常上心，这种认真程度让我很佩服。”徐若洲说道。

看见成长

之前，张志宇、牛钟锋和徐若洲很少合作，“这次竞赛，他们分工合作，各展所长，取得非常不错的成绩。”在指导老师孙思维眼里，3位学生都成长了不少。

本次竞赛中，团队将ARX密码分析的前沿理论融入到自动化密码分析工具中，不断尝试解决工程实现中的新问题和新挑战，“这也为他们积累了宝贵经验。”孙思维欣慰地说。

团队合影（左起分别为徐若洲、牛钟锋、孙思维和张志宇）

而能够把理论转化为实际，是牛钟锋本次竞赛的最大成长和收获。

参赛作品的理论基础，源自于他在2022年美密会（国际三大密码会议之一）上原创性提出的一种计算差分-线性相关度的新方法。“利用这种方法，我们当时发现多个密码算法的高相关度区分器，极大改进了已有分析结果。”

通过本次竞赛，团队将这套分析理论成功转化为一套实用工具，降低了理论使用门槛，牛钟锋希望，“我们的工具未来能够在ARX密码的设计与分析中起到关键作用。”

遇见未来

张志宇犹记得把他领进密码学大门的两门国科大课程——

国科大研究生导师胡磊和王鹏主讲的《密码分析学》，让他第一次对古典密码、对称密码、公钥密码和密码分析有了系统认知；王鹏开设的《密码分析新进展》研讨课，也深深影响着他的研究思路和方法。

以密码理论与技术为研究方向的张志宇，目前主要致力于研究如何使用量子算法攻击密码杂凑函数。“未来，希望继续从事密码领域的研究工作，探索密码领域前沿问题，理论研究和工程实现并重，把工作和论文写在祖国大地上。”他在代表团队获奖发言时感慨道。

张志宇在《密码分析学》课程上记录的板书

当初，徐若洲选择网络安全专业，一方面是看到了社会需要网络安全，另一方面网络安全需要计算机、数学、密码学等综合性学科。

“学好网络安全专业，为维护国家互联网安全贡献力量，同时在保护数据隐私等方面大有可为。”目前，他正致力于与存储加密算法、可调加密方案、分组密码相关的设计和实现。

“研究生还在关心成绩就是失败的，应该多关注科研。”徐若洲记着王鹏在《密码分析学》第一节课上说过的这句话，也在不断努力着。近年来，他参与了多项密码算法设计和密码分析工具的实现工作，在科研道路上不断磨练自己。

如今，徐若洲马上要毕业了，“希望自己能发挥专长，为国家网络安全方面贡献力量。”

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观微之光，可明远方

文字/国晓薇

图片/国科大密码学院提供

美编/沈吟

责编/张雪雅

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