屈龍江 陳 璽 牛泰霖 李 超

(國防科技大學(xué)文理學(xué)院 長沙 410073) (ljqu_happy@hotmail.com)

密碼學(xué)是網(wǎng)絡(luò)空間安全和信息安全的核心，作為一門綜合性學(xué)科，其發(fā)展與國家安全息息相關(guān)，也與政治、軍事、外交等國家事務(wù)密不可分.對稱密碼學(xué)是密碼學(xué)的重要分支，主要研究對象包括分組密碼、流密碼、Hash函數(shù)等.對稱密碼算法是各國政府、軍事和銀行等重要部門保護核心敏感信息的主要算法.密碼函數(shù)包含布爾函數(shù)與向量函數(shù)(S -盒)兩大類，是構(gòu)成序列密碼、分組密碼和Hash函數(shù)等對稱密碼算法的核心組件，而且往往是唯一的非線性組件，其密碼學(xué)性質(zhì)的好壞對基于該組件設(shè)計的密碼算法的安全性有著至關(guān)重要的影響[1-9],相應(yīng)的密碼算法對于各種已知攻擊的抵抗性可以由它所使用密碼函數(shù)的相應(yīng)密碼學(xué)指標(biāo)來衡量.

差分攻擊是攻擊迭代分組密碼最有效的方法之一.差分攻擊的基本思想是通過分析明文對差值對密文對差值的影響來恢復(fù)某些密鑰比特.一個密碼算法抵抗差分攻擊的能力與其采用的密碼函數(shù)抵抗差分攻擊的能力密切相關(guān)，而后者可以用差分均勻度來衡量.一個密碼函數(shù)的差分均勻度越小，其抵抗差分攻擊的能力就越強.有限域Fq上的低差分函數(shù)主要包括完全非線性函數(shù)(perfect nonlinear func-tion, PN函數(shù))、幾乎完全非線性函數(shù)(almost perfect nonlinear function, APN函數(shù))和差分均勻度為4的函數(shù)(4-uniform function, 4差分函數(shù))等.當(dāng)有限域的特征為奇數(shù)時，PN函數(shù)、APN函數(shù)分別達到最優(yōu)、次優(yōu)的差分均勻度；而在偶特征的有限域上，差分均勻度必然為偶數(shù)，此時APN函數(shù)、4差分函數(shù)分別達到最優(yōu)、次優(yōu)的差分均勻度.由于絕大多數(shù)密碼算法用的密碼函數(shù)是定義在偶特征有限域上的，所以在密碼研究中，APN函數(shù)、4差分函數(shù)受到了更多關(guān)注.但是需要注意的是，PN函數(shù)、APN函數(shù)和4差分函數(shù)等低差分函數(shù)之間有著十分緊密的聯(lián)系，很多構(gòu)造是相互啟發(fā)的.

為了抵抗差分攻擊、線性攻擊和插值攻擊等分析方法，一個理想的S -盒通常應(yīng)同時具有低差分均勻度，高非線性度和高代數(shù)次數(shù)等多種良好密碼學(xué)性質(zhì).由于在代替置換網(wǎng)絡(luò)(substitution-permutation-network, SPN)結(jié)構(gòu)分組密碼S -盒的設(shè)計中，為了避免熵泄露，一般要求分組密碼中使用的向量函數(shù)是置換；而為了軟硬件實現(xiàn)時具有較高的效率，又希望其定義在二元域的偶數(shù)維擴域上，因此相比一般的4差分函數(shù)，偶擴張上的4差分置換的構(gòu)造與分析近年來受到了更多研究和關(guān)注.另外，由于具有對合性質(zhì)的函數(shù)可以提高硬件實現(xiàn)的效率,這一性質(zhì)在研究中也受到了較多關(guān)注.因此，本文主要總結(jié)了PN函數(shù)、APN函數(shù)和偶擴張上的4差分置換方面的研究進展.最后，需要說明的是，低差分函數(shù)在編碼和通信領(lǐng)域中也有廣泛應(yīng)用，比如滿足特定性質(zhì)的密碼函數(shù)可以用來構(gòu)造性能優(yōu)良的糾錯碼和跳頻碼[10]，并且所構(gòu)造的碼參數(shù)與原有密碼函數(shù)的非線性度等安全性指標(biāo)密切相關(guān).

1 基本概念和知識

1.1 基本概念

設(shè)Fq為q=pn元有限域，其中素數(shù)p為其特征,則Fq可以看作Fp上的n維向量空間.事實上，設(shè)f(x)∈Fp[x]是一個n次不可約多項式，α為其在分裂域中的一個根，則:

Fpn={a0+a1α+…+an-1αn-1|a0,a1,…,an-1∈Fp},

如果F為有限域Fpn到其自身的映射，則它可以表示為Fpn上的單變元多項式：

定義1.代數(shù)次數(shù).設(shè)F為有限域Fpn到其自身的映射，其單變元表示為

那么F的代數(shù)次數(shù)定義為

degF=max{wp(j)|j=0,1,…,pn-1,δj≠0}.

需要指出的是，這個概念和常見的“多項式次數(shù)”的概念有所不同，比如F2n上的單項式F(x)=x3的多項式次數(shù)為3，但它的代數(shù)次數(shù)為2(因為3=2+1=(11)2).如果一個函數(shù)的代數(shù)次數(shù)不超過1，則稱其為仿射函數(shù).不含常數(shù)項的仿射函數(shù)，稱為線性函數(shù)或者線性化多項式.

設(shè)F為有限域Fpn到其自身的映射.若Fpn中的每一個元素在其像集中都恰好出現(xiàn)一次，則稱F為Fpn上的置換.若函數(shù)G滿足G(F(x))=x，則稱G為置換F的逆.若置換F的逆恰為其自身，即有F(F(x))=x，則稱F是對合函數(shù).

δF(a,b)=#{x∈Fq|F(x+a)-F(x)=b}.

(1)

稱F的差分均勻度為ΔF或稱F為ΔF-差分(一致性)函數(shù).

一個密碼函數(shù)的差分均勻度越小，其抵抗差分攻擊的能力就越強.特別地，若ΔF=1，則稱其為完全非線性函數(shù)(PN函數(shù))；若ΔF=2，則稱其為幾乎完全非線性函數(shù)(APN函數(shù)).當(dāng)有限域的特征為偶數(shù)時，注意到若x0是式(1)的解，則x0+a必然也是式(1)的解，這表明式(1)的解必然成對出現(xiàn)，因此差分均勻度必然為偶數(shù).這表明在偶特征的有限域上，APN函數(shù)、4差分函數(shù)分別達到最優(yōu)、次優(yōu)的差分均勻度.事實上，若q為偶數(shù)，則Fq上的一個函數(shù)的差分均勻度可以取從2到q的所有可能的偶數(shù)；若q為奇數(shù)，則Fq上的一個函數(shù)的差分均勻度可以取除q-1外，從1到q的其他任一整數(shù)[11].另外，需要說明的是，差分均勻度和完全非線性函數(shù)均可以推廣定義到一般的交換群上，相關(guān)工作這里不再贅述，感興趣的讀者可以參閱文獻[12].

F的非線性度定義為

當(dāng)n為奇數(shù)時，非線性度NL(F)的上界為2n-1-2(n-1)2，達到該最大值的函數(shù)稱為幾乎Bent函數(shù)(almost Bent function, AB函數(shù))；當(dāng)n為偶數(shù)時，人們猜想非線性度NL(F)的上界為2n-1-2n2.若能達到該值，則稱之為達到已知最優(yōu)非線性度的函數(shù).

1.2 CCZ等價與EA等價

新的低差分函數(shù)的構(gòu)造是密碼函數(shù)研究中的重要問題，它涉及到這些函數(shù)之間的等價性問題.最主要的等價性有2個：CCZ等價和EA等價.

定義4.擴展仿射等價.設(shè)F,G為2個Fq到自身的函數(shù)，若存在仿射置換函數(shù)l1,l2和仿射函數(shù)l3,使得F=l1°G°l2+l3，則稱F和G擴展仿射等價(extended affine equivalent, EA等價).特別地，若l3=0，則稱F和G仿射等價.

定義5.CCZ等價.Fq上函數(shù)F的圖定義為{(x,F(x)):x∈Fq}，若2個函數(shù)的圖仿射等價，則稱這2個函數(shù)CCZ等價(Carlet-Charpin-Zinoviev equivalent, CCZ等價).

容易驗證EA等價意味著CCZ等價；但是反之不然.CCZ等價保持函數(shù)的差分均勻度和非線性度(更準確地說，是保持函數(shù)的擴展Walsh譜)，而EA等價還保持代數(shù)次數(shù)(如果函數(shù)的代數(shù)次數(shù)≥2).一般而言，在理論上證明2個無限函數(shù)類是否CCZ等價是一個非常困難的問題，而判斷EA等價則要簡單許多.

由于在理論上分析不同函數(shù)之間的CCZ等價性非常困難，實踐上人們一般通過計算機計算一些CCZ等價不變量，比如差分均勻度、擴展Walsh譜、Γ-秩、Δ-秩和各種形式的自同構(gòu)群等.如果2個函數(shù)有不同的CCZ等價不變量，則它們一定不等價；反之則不能判斷.另外，一個無限函數(shù)類的差分均勻度、擴展Walsh譜等CCZ等價不變量的有效計算研究在理論上和應(yīng)用上都是很有意義的，特別是擴展Walsh譜的計算.這不僅是因為由擴展Walsh譜可以決定出非線性度，還因為：由APN函數(shù)可以構(gòu)造性能優(yōu)良的線性碼，并且APN函數(shù)的擴展Walsh譜對應(yīng)于該線性碼的重量分布，而線性碼的重量分布是線性碼的一個重要參數(shù)，利用其可以有效計算譯碼算法的錯誤概率.

2 PN函數(shù)

2.1 性質(zhì)與判定

PN函數(shù)有一些等價判別準則.

定理1.設(shè)F:Fpn→Fpn，則3個條件等價：

1)F為PN函數(shù)，即對任意a,b∈Fpn,a≠0,方程F(x+a)-F(x)=b至多有1個解；

2) 對任意的0≠a∈Fpn，函數(shù)DaF為Fpn上的置換多項式，其中DaF=F(x+a)-F(x)；

3)D={(x,F(x))|x∈Fpn}為Fpn×Fpn中的(pn,pn,pn,1)-相對差集.

除此之外，有限域上的PN函數(shù)還可以用來構(gòu)造達到Welch界的最優(yōu)碼本(codebook)，量子測量、量子計算中有重要作用的最優(yōu)互無偏基(mutually unbiased base，MUB)以及壓縮感知中的最優(yōu)相干矩陣(coherence matrix)等.由于本文主要是從密碼學(xué)的角度論述，這些聯(lián)系就不再贅述了，感興趣的讀者可以參閱文獻[13-15].

特別地，對于二次PN函數(shù)，也稱為Demobowski-Ostrom(DO)型函數(shù)，有等價判定準則：

定理2.設(shè)F:Fpn→Fpn且為二次函數(shù)，則2個條件等價：

1)F為PN函數(shù)，即對任意0≠a∈Fpn，函數(shù)DaF=F(x+a)-F(x)為Fpn上的線性化置換多項式；

2) (Fpn,+,*)為有限交換預(yù)半域，其中“*”為Fpn上定義的乘法：

x*y=(F(x+y)-F(x)-F(y))2.

預(yù)半域與域相比，可能失去結(jié)合律且可能不含單位元.

2008年Kyureghyan和Pott證明了2個PN函數(shù)CCZ等價當(dāng)且僅當(dāng)它們EA等價[16].因此相比于一般函數(shù)的CCZ等價性判斷，PN函數(shù)CCZ等價性判斷的難度略小一些，但仍很困難.

2012年翁國標(biāo)和曾祥勇刻畫了DO型PN函數(shù)的映射性質(zhì)[17].

定理3[17].設(shè)F為Fpn[x]中的DO型多項式,則F為PN函數(shù)當(dāng)且僅當(dāng)其像集中的每一個非零元均有2個原像，即F是2到1的映射.

2.2 已有構(gòu)造

2005年以前，有限域Fpn上PN函數(shù)的研究主要集中于冪函數(shù)(單項式)，包括2類(不等價的)PN冪函數(shù)：

1) Demobowski-Ostrom冪函數(shù)[18]：

π1(x)=xpt+1,

其中,整數(shù)t≥0，ngcd(n,t)為奇數(shù)；

2) Coulter-Mattews冪函數(shù)[19]：

其中,整數(shù)p=3，k為奇數(shù)且n和k的最大公約數(shù)gcd(n,k)=1；

2006年以后，人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些多項式形式的二次PN函數(shù).目前Fpn上已知的多項式PN函數(shù)有：

1) Ding-Yuan多項式[19-20]：

π3(x)=x10-μx6-μ2x2,

2) Zha-Kyureghyan-Wang多項式[21]：

π4(x)=xps+1-μpkxplk+p-lk+s,

其中,整數(shù)n=3k,(3,k)=1,kgcd(k,s)為奇數(shù)，s≡±kmod 3且μ為中本原元；

3) Budaghyan-Helleseth第1類多項式[22]：

4) Budaghyan-Helleseth第2類多項式[22]：

π6(x)=bxps+1+(bxps+1)pk+cxpk+1+

5) Bierbrauer多項式[23]：

π7(x)=xpt+1-αxp2s+ps+t,

其中,n=3s，q=ps，q′=pt，s′=sgcd(s,t)，t′=tgcd(s,t)，s′為奇數(shù)，a∈Fq3且其階為q2+q+1，s+s′≡0 mod 3或q≡q′ mod 3.

如定理2所述，上述二次PN函數(shù)還等價于交換預(yù)半域.人們還構(gòu)造了一些其他的半域，其對應(yīng)的多項式較復(fù)雜，下面列出這些半域，感興趣的讀者可以自行推導(dǎo)其對應(yīng)PN函數(shù)的多項式表達式：

1) Dickson半域[24]：定義在Fq2k上，其乘法定義為

(a,b)*(c,d)=(ac+αbqdq,ad+bc),

其中,α∈Fqk為一個非平方元；

2) Ganley半域[25]：定義在F32k上，其中k≥3為奇數(shù)，其乘法定義為

(a,b)*(c,d)=(ac-b9d-bd9,ad+bc+b3d3)

3) Cohen-Ganley半域[26]：定義在F3n上，其中n≥2，其乘法定義為

(a,b)*(c,d)=(ac+βbd+β3(bd)9,

ad+bc+β(bd)3),

其中,β∈F3n為一個非平方元；

4) Zhou-Pott半域[27]：設(shè)n=2m,k為正整數(shù)，且mgcd(m,k)為奇數(shù)，定義x°ky=xpky+ypkx,設(shè)(a,b)*(c,d)∈Fp2m,乘法定義為

(a,b)*(c,d)=(a°kc+α(b°kd)δ,ad+bc)

其中,α∈Fpm為一個非平方元；δ為Fpm上的一個自同構(gòu).

除此之外，人們還在F35,F38,F55中發(fā)現(xiàn)了一些零散半域[28-30].目前還不能把它們推廣到無限類.

從上面論述可以看出，除了Coulter-Mattews函數(shù)外，其他所有已知PN函數(shù)都是二次的，因此都對應(yīng)于交換(預(yù))半域.二次PN函數(shù)的CCZ等價性與其對應(yīng)半域的同痕(isotopy)是一致的.半域同痕的不變量包括核(nucleus)、中心(center)、對應(yīng)平面的自同構(gòu)群等.關(guān)于上述半域同痕性的討論，請參閱文獻[31]及其引用的參考文獻.

定義6.非凡完全非線性函數(shù)(exceptional perfect nonlinear function).設(shè)F:Fq→Fq, 若F在Fq的無窮多個擴域上為完全非線性函數(shù)，則稱F為非凡完全非線性函數(shù).若F(x)=xd，則稱d為非凡完全非線性指數(shù).

利用代數(shù)幾何的方法，2015年Zieve[32]證明了：

定理4.設(shè)p為奇素數(shù)，d為正整數(shù)，單項式F(x)=xd為Fpn上的完全非線性函數(shù)對無窮多個整數(shù)n成立當(dāng)且僅當(dāng)d為下列情形之一：

1)d=pi+pj,i≥j≥0；

2)d=(3i+3j)2,p=3,i≥j≥0且i-j為奇數(shù).

除了上述2個非凡完全非線性函數(shù)外，容易看出Ding-Yuan多項式π3(x)=x10-μx6-μ2x2也是一個非凡完全非線性函數(shù).

本節(jié)的最后，介紹一下偶特征上的平面函數(shù)，也稱為偽平面函數(shù)(pseudo-planar function)或修改的平面函數(shù)(modified planar function).PN函數(shù)僅在奇特征有限域上存在，APN函數(shù)在某種意義上可以視為PN函數(shù)在偶特征有限域上的推廣，但APN函數(shù)與射影平面、碼本等并沒有聯(lián)系.2013年周悅引入偽平面函數(shù)[33]的定義：

定義7.偽平面函數(shù).設(shè)F:F2n→F2n，若對任意0≠a∈F2n，函數(shù)

DaF=F(x+a)+F(x)+ax

均為F2n上的線性化置換多項式，則稱F為偽平面函數(shù).

與PN函數(shù)類似，偽平面函數(shù)與射影平面、交換半域等數(shù)學(xué)對象有著深刻的內(nèi)在聯(lián)系，在壓縮感知矩陣設(shè)計、最優(yōu)碼本設(shè)計等領(lǐng)域中有著豐富的應(yīng)用.目前所有已知偽平面函數(shù)都是二次函數(shù)，都對應(yīng)著F2n上的交換半域.周悅在文獻[33]中給出了2類偽平面函數(shù)，分別對應(yīng)著有限域和Kantor半域.隨后Schmidt、周悅[34]和Scherr,Zieve[35]研究了單項式偽平面函數(shù)，給出了三類構(gòu)造.2015胡思煌等人[36]構(gòu)造了三類二項式偽平面函數(shù).2016年屈龍江[37]將一大類二次函數(shù)為偽平面函數(shù)的判定問題轉(zhuǎn)化為一個對應(yīng)含參Dickson行列式是否非零的判定問題，大大降低了判定時間復(fù)雜度；利用該Dickson行列式系數(shù)的特殊性質(zhì)能夠進一步簡化計算證明.該方法不僅構(gòu)造了5類新的多項式偽平面函數(shù)，而且將所有已知函數(shù)都統(tǒng)一歸納到了一個大類中.

3 APN函數(shù)

由于密碼學(xué)應(yīng)用主要使用(向量)布爾函數(shù)，所以本節(jié)主要討論偶特征域上的APN函數(shù).對于奇特征域上APN函數(shù)感興趣的，請參閱文獻[38-40].

3.1 性質(zhì)與判定

APN函數(shù)有一些等價判別準則：

定理5.設(shè)F:F2n→F2n，則6個條件等價：

1)F為APN函數(shù)，即對任意a,b∈F2n,a≠0，方程F(x+a)+F(x)=b至多有2個解；

2) 對任意使得x+y+z+t=0的兩兩互異的x,y,z,t∈F2n，有F(x)+F(y)+F(z)+F(t)≠0；

3) 對任意非零a∈F2n，均有|Da(F)|=2n-1，其中Da(F)={F(x+a)+F(x)|x∈F2n}；

4)wt(γF)=22n-1-2n-1，其中γF為由F定義的2n元布爾函數(shù):γF(a,b)=1當(dāng)且僅當(dāng)a≠0，且方程F(x+a)+F(x)=b有解[10]；

5) 對任意非零a∈F2n，均有:

其中,fλ表示F的組件函數(shù)，F(xiàn)W(g)表示布爾函數(shù)g在x=0處的Walsh譜[41]；

2017年Carlet以Walsh變換為工具刻畫向量函數(shù)的差分均勻度，特別地，給出APN函數(shù)的如下等價判別準則：

定理6[42].設(shè)F:F2n→F2n，則F為APN函數(shù)當(dāng)且僅當(dāng)下列任一條件成立：

APN函數(shù)和AB函數(shù)具有聯(lián)系：

定理7[10,43].設(shè)F:F2n→F2n.若F為AB函數(shù)，則F為APN函數(shù).反過來，當(dāng)n為奇數(shù)時，如果F為APN函數(shù)，且其所有Walsh譜值均被2n+1整除，那么F為AB函數(shù)；特別地，二次APN函數(shù)必為AB函數(shù).

對于APN冪函數(shù)，Berger等完全刻畫了它的映射性質(zhì).

定理8[42].設(shè)xd為F2n上的APN函數(shù)，則:

上述結(jié)果表明，F(xiàn)2n(n奇)上的APN冪函數(shù)必然是置換，但F2n(n偶)上的APN冪函數(shù)則不可能為置換.

2011年Leander和Rodier[44]研究了APN函數(shù)的代數(shù)次數(shù)上界，證明了x-1+g(x)，其中g(shù)為非仿射函數(shù)，至多對有限個n能在F2n上為APN函數(shù).最近Budaghyan等人[45]研究了F2n上代數(shù)次數(shù)為n的APN函數(shù)的存在性，利用差分、Walsh譜的冪級數(shù)刻畫了這些函數(shù)，給出了一些不存在性的結(jié)果.特別地，證明了對于F2n上多數(shù)已知APN函數(shù)F(x)，x2n-1+F(x)不是APN函數(shù)；這意味著，如果改變這些APN函數(shù)的一個點，得到的是非APN函數(shù).

2016年Gorodilova[46]刻畫了APN函數(shù)的子函數(shù)，證明了一個n元向量函數(shù)為APN函數(shù)當(dāng)且僅當(dāng)其2個n-1元子函數(shù)或者為APN函數(shù)，或者為4差分函數(shù)，且滿足相容性條件.

3.2 已有構(gòu)造

2005年以前，有限域F2n上APN函數(shù)的研究主要集中于冪函數(shù)，包括Gold函數(shù)、Kasami函數(shù)、Welch函數(shù)、Niho函數(shù)、逆函數(shù)和Dobbertin函數(shù)這6類APN冪函數(shù).

3) Welch函數(shù)[50]：x2k+3，其中n=2k+1；

4) Niho函數(shù)[51]：x2k+2k2-1，當(dāng)k是偶數(shù)時；x2k+2(3k+1)2-1，當(dāng)k是奇數(shù)時；其中n=2k+1；

5) Inverse函數(shù)[52,48]：x22k-1，其中n=2k+1；

6) Dobbertin函數(shù)[53]：x24k+23k+22k+2k-1，其中n=5k.

2006年Dillon在F26上發(fā)現(xiàn)了很多不等價于冪函數(shù)的多項式APN函數(shù)[54].學(xué)者們從這些例子出發(fā)，陸續(xù)構(gòu)造了一些與冪函數(shù)不等價的多項式二次APN函數(shù)無限類，它們的形式是通過對不同參數(shù)的Gold函數(shù)進行組合得到新的APN函數(shù).我們將這些函數(shù)歸納總結(jié)，它們均是定義在F2n上的:

1) Budaghyan-Carlet-Leander函數(shù)[55]：

x2s+1+α2t-1x2it+2rt+s,

其中,n=lt≥12,l∈{3,4},gcd(t,l)=gcd(s,lt)=1,i≡stmodl,r=l-i,α∈F2n為本原元.

2) Bracken-Byrne-Markin-McGuire第1類函數(shù)[56]：

其中,n=2m,m為奇數(shù),γi∈F2m,gcd(s,m)=1,s為奇數(shù)，α,β∈F2n為本原元；

3) Bracken-Byret-Markin-McGuire第2類函數(shù)[57]：

α2tx2n-t+2t+s+αx2s+1+βx2n-t+1+γα2t+1x2t+s+2s,

其中,n=3t,gcd(s,3t)=gcd(3,t)=1,3|t+s，α∈F2n為本原元，β,γ∈F2t,βγ≠1；

4) Budaghyan-Carlet第1類函數(shù)[55]：

x22s+2s+αx2m+1+βx22s+m+2s+m,

其中,n=2m,gcd(i,m)=1,α,β∈F2n使得：

β2m+1=1,β?{λ(2i+1)(2m-1),λ∈F2n},βα2m+α≠0；

5) Budaghyan-Carlet第2類函數(shù)[55]：

x(x2i+x2m+αx2m+i)+x2i(α2mx2m+βx2m+i)+x2m(2i+1)

其中，n=2m，gcd(i,n)=1，β∈F2nF2m，并且x2i+1+αx2i+α2mx+1在F2n上沒有滿足x2m+1=1的解.

2009年，Budaghyan等人[58]從x3出發(fā)，構(gòu)造了一類形式非常簡單的在任何F2n上都存在的APN函數(shù)無限類:

并在文獻[59]中構(gòu)造了更多具有這種形式的APN函數(shù)無限類.Edel和Pott[60]研究了構(gòu)造該APN函數(shù)的方法并提出“交換構(gòu)造(switching construction)”技術(shù)，通過變換已有APN函數(shù)的坐標(biāo)函數(shù)來構(gòu)造新的APN函數(shù)，得到了目前唯一的一個既CCZ不等價于冪函數(shù)也CCZ不等價于二次函數(shù)的F26上的APN函數(shù):

其中,本原元α為x6+x4+x3+x+1的一個根.

2011年Carlet[61]以及2013年周悅和Pott等人[27]分別利用向量Bent函數(shù)構(gòu)造APN函數(shù)，該方法得到的構(gòu)造涵蓋了以往的許多構(gòu)造.這2個構(gòu)造都使用了雙變元表示，即當(dāng)n=2m時，將F2n視為F2m×F2m.

1) Carlet函數(shù)[61]：令n=2m，整數(shù)i,j滿足gcd(n2,i-j)=1.令

g(x,y)=αx2i+2j+γx2iy2j+δx2jy2i+βy2i+2j,

則：

F(x,y)=(xy,g(x,y))

是APN函數(shù)當(dāng)且僅當(dāng)多項式

g(x,1)=αx2i+2j+γx2i+δx2j+β

在F2m中無根；

g(x,y)=x2k+1+α(σ(y))2k+1,

則：

F(x,y)=(xy,g(x,y))

是APN函數(shù)當(dāng)且僅當(dāng)α不能寫成

a2k+1(t2k+t)(σ(t2k+t))

的形式，其中a,t∈F2m.

2014年，余玉銀等人[62]提出了一個通過齊二次函數(shù)對應(yīng)矩陣坐標(biāo)變換的方法構(gòu)造二次APN函數(shù)，在F27,F28上分別發(fā)現(xiàn)了471類和2252類CCZ不等價的二次APN函數(shù).同時，翁國標(biāo)等人[63]受DO函數(shù)與半域的對應(yīng)啟發(fā)，提出了APN代數(shù)(APN algebra)的概念來刻畫二次APN函數(shù)，同樣在F27,F28上發(fā)現(xiàn)了大量新的二次APN函數(shù).2014年，Carlet等人[64]通過尋找特殊形式的二次置換多項式的方法在F28上找到了18類APN函數(shù).

介紹一下非凡幾乎完全非線性函數(shù)(exceptional almost perfect nonlinear function)即在無窮多個擴域上具有幾乎完全非線性的函數(shù).利用代數(shù)幾何的方法，2011年Hernando和McGuire[65]證明了結(jié)果：

定理9.設(shè)d為正整數(shù)，單項式F(x)=xd為F2n上的APN函數(shù)對無窮多個整數(shù)n成立當(dāng)且僅當(dāng)d為Gold指數(shù)或者Kasami指數(shù)，即d=2i+1或d=22i-2i+1.

目前人們僅知道上述2個非凡APN函數(shù).

3.3 等價性

理論上分析APN函數(shù)之間的CCZ等價性非常困難，人們一般通過計算機在小域上計算一些CCZ等價不變量來說明APN函數(shù)之間的CCZ等價性.目前APN函數(shù)CCZ等價性的理論研究主要集中于冪函數(shù)之間以及多項式函數(shù)與部分冪函數(shù)之間.雖然學(xué)者們普遍認為3.2節(jié)中所列出的APN冪函數(shù)相互之間應(yīng)該是CCZ不等價的，但在很長一段時間里，Gold函數(shù)、Kasami函數(shù)、Welch函數(shù)和Niho函數(shù)四者之間的等價性以及逆函數(shù)和Dobbertin函數(shù)兩者之間的等價性目前都沒能給出嚴格的數(shù)學(xué)證明[31].直到2018年，Dempwolf[66]完全解決了冪函數(shù)之間的CCZ等價性問題.但各類多項式APN函數(shù)無限類之間的CCZ等價性依舊是公開問題.目前已有的結(jié)果可以歸結(jié)為6個方面：

1) 參數(shù)不同的Gold函數(shù)之間是CCZ不等價的[67]；

2) 逆函數(shù)和Dobbertin函數(shù)這2類函數(shù)與Gold函數(shù),Kasami函數(shù),Welch函數(shù) 和 Niho函數(shù)這四類函數(shù)之間CCZ不等價[68-69]；

3) Budaghyan[55]證明了當(dāng)n≥12時，論文中構(gòu)造的APN函數(shù)CCZ不等價于Gold函數(shù)、Kasami函數(shù)、逆函數(shù)和Dobbertin函數(shù)且EA不等價于任何冪函數(shù)；

4) 2012年Yoshiara[70]證明了Edel的猜想：2個二次APN函數(shù)CCZ等價當(dāng)且僅當(dāng)它們EA等價；

5) 2017年Yoshiara[71]證明了n為偶數(shù)時，如果有2個plateaued APN函數(shù)且其中一個為冪函數(shù)，則它們CCZ等價當(dāng)且僅當(dāng)它們EA等價；

6) Dempwolf[66]證明了Fpn上的2個冪函數(shù)xk和xl是CCZ等價的當(dāng)且僅當(dāng)存在整數(shù)0≤a

另外，目前所有二次APN函數(shù)族的Walsh譜都得到了計算，結(jié)果表明，這些函數(shù)都具有與Gold函數(shù)相同的Walsh譜，即當(dāng)n為奇數(shù)時為三譜值，而當(dāng)n為偶數(shù)時為五譜值[72-73,58].

3.4 大APN問題

為了避免熵泄露，一般要求分組密碼中使用的向量函數(shù)是個置換；同時為了軟硬件實現(xiàn)時具有較高的效率，又希望其定義在二元域的偶數(shù)維擴域(偶數(shù)維擴張，以下簡稱偶擴張)上.于是尋找偶擴張上的APN置換就成為了密碼學(xué)研究中的一個重要問題，該問題被稱為“大APN問題(big APN problem)”.

問題1.大APN問題.當(dāng)n為偶數(shù)時，是否存在F2n上的APN置換？

該問題已經(jīng)公開近30年了，是目前密碼函數(shù)領(lǐng)域里最著名的公開問題.很長一段時間里，人們只能得到關(guān)于該問題的一些負面結(jié)果，于是很多密碼學(xué)家和數(shù)學(xué)家猜想，F(xiàn)2的偶次擴域上不存在APN置換.但2009年Dillon等人發(fā)現(xiàn)了F26上的一個APN置換[74]，然而n≥8情況下的“大APN問題”目前仍然是公開的.關(guān)于“大APN問題”，目前已知有4個方面結(jié)果：

1) 2009年Dillon通過分解一個APN函數(shù)所對應(yīng)的線性碼，找到了F26上的一個APN置換[74].但其表達形式非常復(fù)雜.2016年，Perrin等人[75]提出了“蝴蝶結(jié)構(gòu)(butterfly structure)”，很好地從理論上詮釋了這個APN置換，但是，他們的方法并沒有發(fā)現(xiàn)偶擴張上的其他APN置換.

2)F22和F24上不存在APN置換.Langevin等人[76]結(jié)合計算機驗證指出，F(xiàn)26上的3次APN置換一定與Dillon等人發(fā)現(xiàn)的APN置換是CCZ等價的.

3) 定理8表明偶擴張上的冪函數(shù)不可能為APN置換.Seberry等人證明了偶擴張上的二次函數(shù)也不可能為APN置換.Pasalic[77]、李永強等人[78-79]分別證明了某些形如一個冪函數(shù)和一個線性函數(shù)的和函數(shù)不可能為APN置換.

APN函數(shù)研究的困難性有3個方面：1)一個隨機函數(shù)是APN函數(shù)的概率很低，這為其搜索、構(gòu)造帶來很大困難；2)缺乏判斷CCZ等價的有效工具，研究中人們經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)找到的函數(shù)CCZ等價于已知函數(shù)；3)除了單項式(冪函數(shù))和二項式外，已知APN函數(shù)的表達形式往往比較復(fù)雜，例如Dillon等人構(gòu)造的APN置換，這也進一步研究帶來較大困難.因此我們對于APN函數(shù)的認識還不夠深刻，亟需更深刻、更有力的研究工具.

4 4差分置換

4差分函數(shù)是偶特征有限域上具有次優(yōu)差分均勻度的函數(shù).4差分函數(shù)的構(gòu)造并不困難，一種自然的方法是復(fù)合一個APN函數(shù)和一個2到1的線性函數(shù).從密碼應(yīng)用角度看，由于缺乏偶擴張上的APN置換，密碼算法S -盒設(shè)計的一個自然選擇就是使用4差分置換，比如著名AES(advanced encryption standard)算法的S -盒使用了F28上的逆函數(shù)就是一個4差分置換.偶擴張上4差分置換的構(gòu)造與性質(zhì)對于對稱密碼設(shè)計與分析具有十分重要的意義.因此接下來本節(jié)只論述偶擴張上4差分置換.

4.1 已有構(gòu)造

近年來偶擴張上4差分置換的研究受到較多關(guān)注，人們給出了一系列新的構(gòu)造，下面分為具有五譜值的4差分置換和從逆函數(shù)出發(fā)構(gòu)造的4差分置換兩大類進行敘述.

4.1.1 具有五譜值的4差分置換

已有具有五譜值的4差分置換其Walsh譜取值均為{0，±2n/2,±2(n+2)/2}，因此非線性度達到已知最優(yōu)2n-1-2n/2，其中一些構(gòu)造的代數(shù)次數(shù)也不太低，但目前已有的構(gòu)造均無法達到最優(yōu)代數(shù)次數(shù)n-1.

1) 基礎(chǔ)構(gòu)造

2011年以前，偶擴張上的4差分置換無限類只有Gold函數(shù)、Kasami函數(shù)、逆函數(shù)、Bracken-Leander函數(shù)和Bracken-Tan-Tan函數(shù)5類基礎(chǔ)構(gòu)造.其中除了逆函數(shù)外，其余4類Walsh譜取值均為{0，±2n2,±2(n+2)2}.

① Gold函數(shù)[47]：x2i+1，其中n=2k，k為奇數(shù)且gcd(i,n)=2；

② Kasami函數(shù)[81-82]：x22i-2i+1，其中n=2k，k為奇數(shù)且gcd(i,n)=2；

③ 逆函數(shù)：x-1，其中定義0-1=0；

④ Bracken-Leander函數(shù)[83]：x22k+2k+1，其中n=4k，k為奇數(shù)；

⑤ Bracken-Tan-Tan函數(shù)[84]：αx2s+1+α2kx2-k+2k+s，其中n=3k，k是偶數(shù)，但3?k且k2是奇數(shù)，gcd(i,n)=2，3|(k+s)，α是F2n上的本原元.

其中,前4類為冪函數(shù)，最后一類為二項式函數(shù).除了Kasami函數(shù)和逆函數(shù)之外，其他函數(shù)的代數(shù)次數(shù)都是2或者3，且僅有逆函數(shù)是對合函數(shù).容易看出，這里除了Bracken-Leander函數(shù)以外，其余3類都是從APN函數(shù)修改構(gòu)造的.

2) Gold函數(shù)收縮構(gòu)造

2011年Carlet提出了一種利用F22k+1上APN置換來構(gòu)造F22k上4差分置換的方法[85].李永強等人對該方法進行了進一步研究，從Gold函數(shù)出發(fā)，成功地構(gòu)造了2類偶擴張上的具有已知最優(yōu)非線性度的4差分置換[86].其具體形式如下:

限制在T(0)上的函數(shù).

這2類函數(shù)的代數(shù)次數(shù)為(n+2)2，但均不是對合函數(shù).

3) 蝴蝶結(jié)構(gòu)

① Perrin-Udovenko-Biryukov構(gòu)造[75]：

R(x,y)=(x+αy)3+y3，

② Canteaut-Duval-Perrin構(gòu)造[87]：

R(x,y)=(x+αy)3+βy3,

③ Fu-Feng構(gòu)造[88-89]：

R(x,y)=(x+αy)2t(2i+1)+y2t(2i+1)，

這些4差分置換具有已知最優(yōu)的非線性度，代數(shù)次數(shù)為n2或者(n+2)2，這些函數(shù)的“開蝴蝶結(jié)構(gòu)”形式均為對合的.利用“蝴蝶結(jié)構(gòu)”可以給出Dillon等構(gòu)造APN置換的簡潔表達形式.但遺憾的是Canteaut等證明在該結(jié)構(gòu)構(gòu)造的函數(shù)中，除了Dillon等構(gòu)造的APN置換外，沒有其他APN置換.

4.1.2 從逆函數(shù)出發(fā)構(gòu)造的4差分置換

當(dāng)n為偶數(shù)時，逆函數(shù)x-1是對合的4差分置換[48,52]，具有最優(yōu)代數(shù)次數(shù)n-1，其非線性度達到已知最優(yōu)2n-1-2n2，Walsh譜可以取遍±2(n+2)2之間的每一個被4整除的整數(shù)值.AES,Camellia等很多標(biāo)準算法均使用逆函數(shù)做S盒.從逆函數(shù)出發(fā)構(gòu)造的4差分置換普遍具有最優(yōu)代數(shù)次數(shù)n-1和較高的非線性度，其中一些子類還可以達到已知最優(yōu)非線性度.

1) 逆函數(shù)交換構(gòu)造

2013年屈龍江等人通過“交換構(gòu)造(switching construction)” 的技術(shù)研究了逆函數(shù)，提出了優(yōu)先函數(shù)的概念，并且以此為工具構(gòu)造為

其中,d=2n-2 或者 3(2t+1)，2≤t≤n2-1的2個簡潔的4差分置換無限類[90].他們又提出優(yōu)先布爾函數(shù)的概念，在偶擴張上構(gòu)造出了至少2(2n+2)3個形如x-1+f(x-1)的具有最優(yōu)代數(shù)次數(shù)的4差分置換，從而在理論上首次證明了F22k上4差分置換的個數(shù)是隨著變元個數(shù)增長而呈雙指數(shù)增長的[91].這些函數(shù)都可以看作是在逆函數(shù)基礎(chǔ)上添加某個布爾函數(shù)得到的，我們簡稱為BI函數(shù)，這類函數(shù)是4差分置換的充分必要條件如下[92]：

BI 4差分置換：令n為偶數(shù)，ω是F2n中階為3的元素，f是n元布爾函數(shù).則BI函數(shù)是4差分置換當(dāng)且僅當(dāng)對于任意x∈F2n均有f(x)=f(x+1)且對于任意z∈F2nF4，2個等式中至少有一個成立：

查正邦等學(xué)者[93-94]、彭杰等學(xué)者[95]也先后研究了逆函數(shù)的交換構(gòu)造法，并進一步研究了其中一些具有良好密碼學(xué)性質(zhì)的子類.BI 4差分置換具有最優(yōu)代數(shù)次數(shù)和較高的非線性度，其中一些子類還具有已知最優(yōu)非線性度.BI 4差分置換是對合函數(shù)當(dāng)且僅當(dāng)2種情況之一成立[96]：

①n=2k，k為奇數(shù)，

Supp(f)={0,1},{ω,ω2}或{0,1,ω,ω2}；

②n=2k，k為偶數(shù)，

Supp(f)={0,1,ω,ω2}.

2) 逆函數(shù)其他修改構(gòu)造

李永強、查正邦、彭杰、唐燈和Carlet等學(xué)者也先后通過不同的方法對F2n上的逆函數(shù)進行修改，得到了一些新的4差分置換，這些4差分置換普遍具有最優(yōu)代數(shù)次數(shù)和較高的非線性度.具體修改方式為：

① Li-Wang-Yu構(gòu)造[97]：

其中,{ai|0≤i≤m}為滿足一定條件的圈.

② Zha-Hu-Sun構(gòu)造[93]：

其中,d是偶數(shù)，d|n且nd為奇數(shù)，

③ Peng-Tan構(gòu)造[98]：

其中,α,β∈F2d滿足某些具體條件.

④ Peng-Tan-Wang第1類構(gòu)造[99]：

其中,γ∈F2n，U是循環(huán)群γ中一些集合的并.

⑤ Peng-Tan-Wang第2類構(gòu)造[100]：

其中,U是F2nF4中一些六元集合的并.

⑥ Tang-Carlet-Tang構(gòu)造[101]：

其中,第⑥類函數(shù)的逆變換是BI 4差分置換，因此它們是CCZ等價的.前5類函數(shù)均包含一些對合的4差分置換子類，這里不具體列出相關(guān)條件，感興趣的讀者請參閱文獻[96].

3) 逆函數(shù)擴張構(gòu)造

2014年，Carlet和唐燈等人[102]利用F22k-1上的逆函數(shù)是APN函數(shù)這一特性，構(gòu)造了F22k上一大類

4.2 等價性研究

4差分置換同樣可以通過計算差分譜、擴展Walsh譜、Γ-秩、Δ-秩和各種形式的自同構(gòu)群等CCZ等價不變量來判斷它們之間的等價性，最常見的是計算Walsh譜和差分譜.具有五譜值的4差分置換和從逆函數(shù)出發(fā)構(gòu)造的4差分置換這2類相互之間的CCZ不等價性一般可以通過計算Walsh 譜來證明或者驗證，因為從逆函數(shù)出發(fā)構(gòu)造的4差分置換一般不是五譜值的.而在每一大類里各自不同構(gòu)造之間的CCZ不等價性多數(shù)情況下是通過在小域上計算Walsh譜或者差分譜來驗證的.接下來我們主要描述該方面的理論結(jié)果.

首先，具有五譜值的4差分置換之間的等價性研究相對較少.由于函數(shù)存在域的不同，Bracken-Leander函數(shù)、Bracken-Tan-Tan函數(shù)與其他2類基礎(chǔ)構(gòu)造是CCZ不等價的.其次，由于F2n上一個函數(shù)的CCZ等價類里至多包含24n2+2n個函數(shù)，而BI 4差分置換里至少有2(2n+2)/3個函數(shù)，因此BI 4差分置換里至少含有2(2n+2)/3-4n2-2n個不同的CCZ等價類[91].再次，唐燈和Carlet等人通過差分譜證明了BI 4差分置換與Carlet-Tang-Tang-Liao函數(shù)這兩大類4差分置換分別與二次函數(shù)是CCZ不等價的，并分別從這2類4差分置換中找出了一些子類在理論上證明了這些子類與逆函數(shù)是CCZ不等價的[101].最后，陳璽等人提出投影差分譜的概念，將所研究的函數(shù)投影到低維空間上，檢驗其投影函數(shù)的投影差分譜是否滿足2個CCZ等價函數(shù)投影差分譜所滿足的必要條件，并通過該方法證明了所有 Carlet-Tang-Tang-Liao函數(shù)與逆函數(shù)是CCZ不等價的[103].

5 應(yīng) 用

本節(jié)簡單地回顧低差分函數(shù)在實際密碼算法中的應(yīng)用.

在Nyberg和Knudsen設(shè)計的64 b類似DES的KN密碼中，使用了域F233上二次單項式x|→x3[104].但隨后Jakobsen和Knudsen利用x3函數(shù)代數(shù)次數(shù)太低的弱點提出了高階差分攻擊[105]，攻破了KN 密碼.KASUMI算法[106]使用了64 b的8輪DES -類置換，F(xiàn)O和FL是其中的2輪置換.FO函數(shù)是一個32 b置換，它由含有FI輪置換的3輪MISTY型變換所組成.FI函數(shù)是一個4輪非平衡MISTY-type變換所組成的16 b置換，它由一個7 b APN置換與一個9 b APN置換組成.

1998年NIST發(fā)起了一場為了建立新分組密碼標(biāo)準的比賽，由比利時密碼學(xué)家Daemen和Rijmen設(shè)計的Rijndael算法最終勝出，被遴選為AES算法[107].AES算法使用的S -盒是有限域F28上逆函數(shù)的仿射變換，這個4差分置換[108]達到了8維空間上已知最優(yōu)的差分均勻度和已知最優(yōu)的非線性度.除了AES算法以外，Camellia算法[109]、PRESENT算法[110]、PRINCE算法[111]、LED算法[112]等近期設(shè)計算法中均使用了逆函數(shù)作為S盒.

FIDES是Bilgin等設(shè)計的認證加密算法[113]，其置換由32個Dillon等發(fā)現(xiàn)的APN置換組成.該APN置換的代數(shù)次數(shù)是4，非線性度與逆函數(shù)的非線性度相同均為16，同樣達到已知最大非線性度.這表明對該函數(shù)的差分攻擊和線性攻擊與逆函數(shù)的情況類似.但FIDES算法的構(gòu)造設(shè)計存在缺陷.Dinur和Jean[114]使用猜測-決定攻擊破譯了FIDES算法，該攻擊基于線性層中擴散上的弱點，S -盒的差分性質(zhì)對這種攻擊完全不起作用.該結(jié)果表明，密碼算法設(shè)計即使使用密碼學(xué)性質(zhì)良好的低差分置換，也還需要精心設(shè)計密碼結(jié)構(gòu)，避免存在安全缺陷.

6 總 結(jié)

綜上所述，近年來國內(nèi)外學(xué)者在有限域上低差分函數(shù)研究方面已經(jīng)取得了許多重要的結(jié)果，但仍有許多問題亟需進一步的研究.例如已有PN函數(shù)和APN函數(shù)構(gòu)造都集中在冪函數(shù)和二次函數(shù)，如何構(gòu)造一個(CCZ等價意義下)非二次的多項式PN函數(shù)和APN函數(shù)是低差分函數(shù)研究中的一個非常重要的問題.還有，已知的PN冪函數(shù)和APN冪函數(shù)列表是否完全？二次PN函數(shù)和APN函數(shù)的CCZ等價類個數(shù)是否隨變元個數(shù)增長而呈指數(shù)增長？“大APN問題”，即一般偶擴張上是否存在APN置換的問題，還遠沒有解決.另外，能否構(gòu)造與Gold函數(shù)具有不同Walsh譜的二次APN函數(shù)類也是一個非常有趣的問題.最后，盡管人們在偶擴張已經(jīng)構(gòu)造了大量的4差分置換，但像逆函數(shù)那樣多種密碼學(xué)指標(biāo)折衷最優(yōu)的密碼函數(shù)的構(gòu)造還很匱乏.另外，已知偶擴張上4差分置換無限類要么是從逆函數(shù)出發(fā)構(gòu)造的，要么與Gold函數(shù)聯(lián)系緊密，能否通過其他的方法進行構(gòu)造是非常有趣的問題.所有這些問題都值得我們繼續(xù)深入研究.