論文の概要: ExpanderGraph-128: A Novel Graph-Theoretic Block Cipher with Formal Security Analysis and Hardware Implementation
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2603.12637v1
- Date: Fri, 13 Mar 2026 04:15:20 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-03-16 17:38:11.898554
- Title: ExpanderGraph-128: A Novel Graph-Theoretic Block Cipher with Formal Security Analysis and Hardware Implementation
- Title（参考訳）: ExpanderGraph-128: 形式的セキュリティ分析とハードウェア実装を備えたグラフ理論ブロック暗号
- Authors: W. A. Susantha Wijesinghe,
- Abstract要約: 128ビットのブロック暗号であるbfExpanderGraph-128(EGC128)を20ラウンドのバランスの取れたFeistelネットワークとして提案する。
セキュリティ分析はMILPベースの差分境界を組み合わせ、SCIPを介して10ラウンドで最適であることが証明され、147.3ビットの差分セキュリティを確立し、完全な暗号に対して413ビットに保守的に外挿する。
Xilinx Artix-7上のFPGA合成は380 LUTで100MHzで261Mbpsを達成するが、ARM Cortex-M4Fソフトウェアは25.8KBのFlashと1.66msの暗号化を必要とする。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Lightweight block cipher design has largely focused on incremental optimization of established paradigms such as substitution--permutation networks, Feistel structures, and ARX constructions, where security derives from the algebraic complexity of individual components. We propose a different approach based on \emph{expander-graph interaction networks}, where diffusion and security arise from sparse structural connectivity rather than component sophistication. We present \textbf{ExpanderGraph-128 (EGC128)}, a 128-bit block cipher constructed as a 20-round balanced Feistel network. Each round applies a 64-bit nonlinear transformation governed by a 3-regular expander graph whose vertices execute identical 4-input Boolean functions on local neighborhoods. Security analysis combines MILP-based differential bounds, proven optimal through 10 rounds via SCIP, establishing 147.3-bit differential security and conservatively extrapolating to 413 bits for the full cipher. Linear analysis provides MILP bounds of $\geq 2^{145}$, while related-key evaluation shows no free rounds for any nonzero key difference. Additional tests confirm rapid algebraic degree growth and the absence of invariant affine subspaces. Implementation results demonstrate practical efficiency. FPGA synthesis on Xilinx Artix-7 achieves 261~Mbps at 100~MHz using only 380 LUTs, while ARM Cortex-M4F software requires 25.8~KB Flash and 1.66~ms per encryption. These results show that expander-graph-driven diffusion provides a promising design methodology for lightweight cryptography.
- Abstract（参考訳）: 軽量ブロック暗号の設計は、置換-置換ネットワーク、フェステル構造、ARX構造といった確立されたパラダイムの漸進的な最適化に重点を置いており、セキュリティは個々のコンポーネントの代数的複雑さから導かれる。
本稿では,コンポーネントの高度化ではなく,疎結合から拡散とセキュリティが生じる,emph{expander-graph interaction network} に基づく別のアプローチを提案する。
We present \textbf{ExpanderGraph-128 (EGC128)}, a 128bit block cipher constructed as a 20-round balanced Feistel network。
各ラウンドは3つの正則拡大グラフで支配される64ビットの非線形変換を適用し、その頂点は局所近傍で同一の4入力ブール関数を実行する。
セキュリティ分析はMILPベースの差分境界を組み合わせ、SCIPを介して10ラウンドで最適であることが証明され、147.3ビットの差分セキュリティを確立し、完全な暗号に対して413ビットに保守的に外挿する。
線形解析は、$\geq 2^{145}$のMILP境界を提供するが、関連するキー評価は、任意の非零鍵差に対する自由ラウンドを示さない。
追加のテストでは、急激な代数次数成長と不変アフィン部分空間の欠如が確認された。
実装結果は実効性を示している。
Xilinx Artix-7上のFPGA合成は380 LUTで100〜MHzで261〜Mbps、ARM Cortex-M4Fソフトウェアは25.8〜KBのFlashと1.66〜msの暗号化を必要とする。
これらの結果から,拡張型グラフ駆動拡散は軽量暗号の設計手法として有望であることが示唆された。
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