在密碼學領域，短密鑰對稱加密算法的安全性一直備受關注。近日，來自中東技術大學、薩班哲大學和德國波鴻魯爾大學的密碼學專家Cihangir Tezcan和Gregor Leander在《IACR Transactions on Symmetric Cryptology》上發表了一篇重磅論文，題為《GPU Assisted Brute Force Cryptanalysis of GPRS, GSM, RFID, and TETRA》。該研究通過優化基于GPU的暴力破解實現，對廣泛應用于通信領域的KASUMI、SPECK和TEA3算法進行了深入分析，揭示了這些短密鑰算法在現代計算能力下的脆弱性。這不僅對當前的加密標準提出了挑戰，也為未來的安全設計敲響了警鐘。

短密鑰算法的廣泛應用與潛在風險

對稱加密算法的密鑰長度直接決定了其抗暴力破解的能力。NIST（美國國家標準與技術研究院）推薦至少使用112位密鑰，并在2030年后全面轉向128位密鑰，以應對日益強大的計算能力。然而，許多國際標準和現實民用/軍事應用中仍在使用較短的密鑰。例如，ISO/IEC 29192-3輕量級流密碼標準中的Trivium僅支持80位密鑰，SPECK算法的96位版本被納入ISO/IEC 29167-22 RFID空中接口標準，而GSM和GPRS通信中采用的KASUMI（A5/3）雖然支持128位密鑰，但為兼容性考慮實際僅提供64位安全性。此外，歐洲TETRA標準中的TEA3算法使用80位密鑰，且長期因“隱秘安全”策略未接受充分的學術審查。

這些短密鑰算法在性能和硬件資源受限的場景下具有優勢，但在現代計算技術尤其是GPU并行計算的沖擊下，其安全性正面臨嚴峻考驗。Tezcan和Leander的研究利用NVIDIA RTX 4090 GPU的強大算力，對KASUMI、SPECK和TEA3進行了優化暴力破解，提供了令人震驚的性能數據和安全評估。

研究團隊針對KASUMI、SPECK和TEA3算法開發了高度優化的GPU實現，顯著提升了暴力破解的效率。以下是關鍵成果：

• KASUMI（GPRS/GSM）

KASUMI是GSM和GPRS通信中使用的核心加密算法，其64位有效密鑰使其易受暴力攻擊。研究表明，在單張RTX 4090 GPU上，每秒可嘗試2^{35.72}個密鑰，較CRYPTO'24會議論文中的優化結果提升了15倍以上。按此速度，破解KASUMI-64僅需11張RTX 4090 GPU運行一年，或2400張GPU在38小時內完成（最壞情況）。此外，研究優化了時間-空間折衷（TMTO）攻擊，將此前需要2400張RTX 3090 GPU運行348天的表生成時間縮短至142張RTX 4090 GPU或20.6天。

• SPECK（RFID）

SPECK-96-26是RFID通信中的ISO標準算法，支持96位密鑰。研究團隊的優化實現使其在RTX 4090上達到每秒$2^{36.72}$次密鑰嘗試。盡管破解96位密鑰需要22億張RTX 4090 GPU運行一年，目前尚不具備實用性，但隨著GPU性能的提升（如預計2025年推出的RTX 5090），這一數字可能降至17.5億，顯示其長期安全性堪憂。

• TEA3（TETRA）

TETRA是軍警和緊急服務使用的無線電標準，其TEA3算法使用80位密鑰。研究通過混合直觀和位切片技術優化，在RTX 4090上實現每秒2^{34.71}次密鑰嘗試，破解需136萬張GPU運行一年。這一結果表明，盡管當前成本高昂，但未來專用硬件（如ASIC）的開發可能大幅降低破解門檻，對TETRA的安全性構成威脅。

研究團隊采用了多種GPU優化策略，包括最小化全局內存使用、消除共享內存沖突、調整線程和寄存器配置，并在不同CUDA SDK和計算能力下進行了全面測試。他們還將代碼開源，供學術界驗證和進一步研究。

短密鑰算法的末路？

論文的結果對當前加密標準和應用提出了深刻警示。對于GSM和GPRS，11張RTX 4090 GPU即可在一年內破解通信，顯示其安全性已不足以應對現代威脅。相比之下，SPECK-96和TEA3雖需更大規模的GPU集群，但其破解成本隨技術進步而降低，預計到2050年可能進入實用范圍。此外，TETRA的案例表明，“隱秘安全”策略并不能保障長期安全，公開審查才是提升算法強度的關鍵。

研究還對比了暴力破解與TMTO攻擊的優劣。以KASUMI為例，暴力破解雖需38小時（對比TMTO的14分鐘），但成功率從21%提升至100%，且無需預計算和額外存儲，成本效益更高。這提示從業者需重新評估攻擊模型的選擇。

行業影響與未來展望

這項研究不僅展示了GPU在密碼分析中的潛力，也暴露了短密鑰算法在現代計算環境下的脆弱性。論文作者強烈建議避免使用低于128位密鑰的算法，并呼吁更新相關標準。NIST已移除SKIPJACK和3DES等低安全性算法，ISO/IEC等國際標準組織也需要效仿跟進。

隨著GPU性能的持續提升和新一代產品（如RTX 5090）的推出，暴力破解的成本將進一步下降。同時，專用硬件的開發可能使攻擊更高效，尤其對軍事和政府使用的TETRA系統而言，需警惕潛在的定制化破解設備。

結語

GPU暴力破解技術研究為密碼學界敲響警鐘：短密鑰算法的時代正在終結。在算力飛速發展的今天，安全設計必須與時俱進，128位以上密鑰將成為最低標準。這不僅是技術挑戰，更是關乎通信安全和國家安全的戰略考量。未來，密碼學研究需更多關注硬件優化的影響，以確保加密技術在量子時代到來前仍能守護我們的數字世界。