TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.4, April 201 4, pp. 3010 ~ 3 0 1 4   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i4.4773          3010     Re cei v ed Se ptem ber 10, 2013; Revi se d No vem ber  18, 2013; Accepted Decem ber 1, 201 3   On the Algebraic Immunity of Boolean Function       Cao Hao*, Wang Huige   Coll eg e of Scie nce, Anhu i Sci ence a nd T e chnol og y Un ivers i t y , F eng  ya ng  233 10 0, Chin a   *Corres p o ndi n g  author, em ail :  caohao 20 00 8 54@ 163.com       A b st r a ct  In view  of the constructio n  requ ire m e n ts o f   Boole an fun c tions w i th ma ny go od crypt ogra p h y   prop erties, thro ugh  the  an alysi s of the  rel a tio n shi p  b e tw een  the functi on  val ues  on th e v e c t ors w i th w e igh t   not  mor e  th an   d   an d th alg ebra i c i mmunit y , a  met hod  to  deter mine  the  hi gher  or der  a l ge braic  i m mu nit y   function  is giv en. Mea n w h ile , a meth od th at appr opri a te  chan ge i n  the  functi on v a lu w i thout reduc i n g   alg ebra i c i mmunity  is pr od u c ed, a n d  usi n g it, a n   exa m ple  to c onstru c t Bool ea n fu nction  w i th o p t ima l   prop erties in th e alg ebra i c i m mu nity, non lin e a rity, bala n ce a nd corre latio n  i m mu nity etc is prese n ted.     Ke y w ords : Bo ole an functi on, alg ebra i c i m mu nity (AI), s uppo rt set, corelatio n  i mmunity (CI) , nonli n e a rity      Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  As an i m po rtant tool in th e de signi ng  and a nal ysi s   of crypto syst em, Boolea n  function   has be en a   resea r ch fo cus i n   crypto grap hy. To  resi st varia b le  kn own atta cks,  a vari ety o f   cryptog r a phi c prope rties h a ve be en  put  forward,  such a s   co rrel a tion imm unity, bala n cedn ess,  nonlin earity, etc.  In 2003,  a  ne w cleve r  attack  on   st re am ciphe rs,  the so call ed algeb rai c   atta ck  [1], which i s   based  on th e  solvin g ove r determi ned  n online a multi v ariable  eq u a tions bet we en   the initial key and the outpu ts of Key Stre am Gene rato r (KSG), bri n gs a complet e ly new criteri o n   f o t he de sig n   of  se cur e  st rea m  ciph e r   sy st em s,  known a s  al g ebrai c i mmu nity (AI) [2, 3 ]. To   resi st alg ebra i c attack, alg ebrai c imm u n i ty of  Boolean function  ca nnot be t oo l o w. He nce, it is   very mea n in gful to  con s t r uct  Boole a n  functio n s wi th high  AI. Being b a sed  on th stud y of  algeb rai c  attacks,  schola r s have  alre a d y pre s ente d  many const r uction s of Bo olean fu nctio n with high AI by using different  approaches [3-15]. Howe ver, it is still a difficult problem  to   meeting vari o u s othe r goo d cryptog r a p h ic prope rt ie s when  con s tructing Bool ea n function s with   high AI.   In this  pap er,  having  deepl y studie d  o n  t he relation b e twee n the  AI and  the Su p port  set  of Boolean fu nction s, a suf f icient co ndition that  modifying several value s  of the Boolean fun c t i on   in so me p o in t does not d e c re ase AI is  pre s ente d . Using thi s  m e thod, con s tru c tion of Boole a n   function s with  goo d crypt ogra phi p r o pertie s such  that alge braic imm unity, balan ce dne ss,   nonlin earity a nd co rrelation  immunity, is pre s ente d .       2. Preliminary  A function  :{0,1} n {0,1 } is call ed n-va riable Boole a n  function. We  denote  B n  the set of  all n-va riable  Boolean fu n c tion s from  { 0 ,1} n  to {0,1}.  Denote 0 = {x {0,1} n  | f (x)=  0} a nd 1 {x {0,1} n  | f (x)= 1}, which  are called off set and  sup p o rt set.   Any n-variab le Boolean  function ha s a unique repre s e n tation  as a multivariate  polynomial ov er  GF (2), call ed alge brai norm a l form (ANF) :     n n j i j i n j i i i n i n x x x a x x a x a a x x x f 2 1 , , 2 , 1 , 1 1 0 2 1 ) , , , (         (1)     Whe r e th co efficients   an  d enote t he  GF (2 ) a d d i tion. The  alg ebrai degree, deg ( f ), is the num ber of variabl es in the hig hes t order te rm with non ze ro co efficient.  In   the ANF of f(x), it is  s a tis f ied that:     ) 2 ( 2 1 GF a k i i i Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     On the Algeb raic Im m unity of Boolean F unctio n  (Cao  Hao )   3011    ) ( } , , 2 , 1 { ) sup( , , 2 , 1 x f a ij i i x ij i i                                            ( 2 )     Whe r sup ( x) denote s  the seri al num bers of 1 in x=(x 1 ,x 2 ,…,x n ), i.e., sup(x ) ={i|x i =1}.  An impo rtant  tool to  stud y the crypto grap hic prop erties of Boo l ean fu nction s, called   Spectrum (d e noted by S f (w)), is defin ed  as:     n x wx x f n f w S } 1 , 0 { ) ( ) 1 ( 2 ) ( ,      (w {0,1 } n )                              (3)     Nonli nea rity of Boolean function is a n  importa nt Cry p togra ph ind e x, which is d e fined as  the minimum  distan ce bet wee n  the functi on an d all affine functio n s, den oted by N f . It can be   depi cted by the equ ation a s  follows:      N f  =2 n-1 (1 -m ax {|S f (w)|,w {0,1} n }                                           (4)    An n-vari able  Boolean fu n c tion  f  is  call ed  m -ord er  correlation im mune, if for a n w F 2   with 1 wt ( w ) m , we  have  S f ( w )=0, wh ere   wt ( w ) d e notes the  Ha mming  wei g h t  of  w . Furth e more, if S ( 0 )=0(i.e., f is balanced), f is call ed  m -o rd er  re silient B oolea n fun c ti on. The  relati on  betwe en the numbe r of variable s , alge b r aic d egr ee a nd co rrel a tion  immunity can be describ ed  as  follows     m+n d                                                                             (5)    If f is balan ce d, we have m + n < d.   Let  ( x ),  ( x ) B n g ( x i s  called an anni hilator of  if  ( x g ( x )= 0   for all  x {0,1} n , d enoting  An( f ) a s  the set of all annih ilators of  f . The algeb rai c  immunity of  f  is define d  as f o llows:   AI( f )=min { g B n  |  g Ann( f )  Ann(1 + f ) a nd  g 0 }   It is kno w n th at for arbitrary  n -variabl e Boolean fun c tion  f , we have AI( f ) n/2 [3] .  To re sist   algeb rai c  attack, com b ina t ion function  with high AI  sho u ld be  se lected in th desi gn of KSG.  Therefore,  co nstru c ting Bo olean fun c tio n s with o p timal AI is nece s sary.       3. Judging the AI of Bo o l ean Func tio n   Den o te W <d ={x {0,1}n|wt(x)< d }, W >d ={ x {0,1}n| w t(x ) >d }, W =d ={x {0,1}n|wt(x)= d }. For  any f B n , de note  W < d 0 = { 1 , 2 ,…, s }, W = d 0 f = { 1 , 2 ,…, m }, W > d 1 f  = { 1 , 2 ,…, t }, W = d 1 { 1 , 2 ,…, k }.   Cons truc t two matrix A= (a ij ) m×s  and  B=(b ij ) k×t , where a ij  =1if and onl y if  sup ( j ) su p( i ) , and  b ij =1 if and only if  sup( j ) sup( i ). On the AI of Boolean fun c tion, we hav th e  fo llo w i ng  c o nc lus i on   Theorem 1 :   A and B are a ll column full rank mat r ix   AI(f) d.   Proof:  Firstly, we  only sho w  that f  doe s not exi s t no n-zero a nnihil a tor   with  de gree  no   more than d-1.  For any g(x)  An(f) with deg(g) d - 1, we sh ow tha t  g(x)=0. Fro m  Equation (2), it is  kno w n that if  x W < d , then  g ( x )=0. It is obviou s  that whe n   x W < d 1 f  , we have:      g ( x )= 0                                                                      (6)    No w, we sho w  that  the equation g(x ) =0  still holds if  x W < d 0 f  .  O w ing  to  de g( g ) d- 1 ,  we  ha ve   0 ) ( ) sup( ) sup( x g i x for any  i W = d 0 f Fro m  the Equ a tion (6)  and   the  definitio n of  matrix  A, we have   0 ) ( 1 j j i s j g a Therefo r e, we  can   get equ a t ions co ntaini ng  m homo gen e ous li nea r e q uation s  on va riable s   g( 1 ), g( 2 ),…,g( s ), and the  co e fficient matrix  o f   the equ ation s  A is  col u m n  full ran k Obviou sly, the equ ation s   only ha s a   zero  solution,  i.e.,  g ( x )=0  al so h o lds wh en  x W < d 0 f  . Hen c e, f doe s n o t exist non -zero anni hilator   with de gre e  n o   more than d-1.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 4, April 2014:  3010 – 3 014   3012 Nex t, we sh o w  that  1 f does n o t exist non-ze ro a n n i hilator  with  degree no m o re tha n   d-1. For  any    g(x)  An(1 f) with  de g(g) d-1. Denote     g'(x ) =g(1 x) it nee ds  only p r ove th at    g'(x)=0,  we  will get g(x)=0. Similar to  the prev ious  proof m e thod, we will  get  g'(x)=0, hence ,   g(x)= 0 , that is to s a y, 1 f d oes n o t exist non-ze ro a nni hilator  with d egre e  no mo re than d-1.    Therefore,  Neither f no r 1 f exist no n-zero  annihil a tor  with  deg re e no  mo re t h an d - 1,   namely AI(f) d.       4. Cons truc ting Boolea n Function w i th high AI   Selec t  T W < d 1 f U W = d 0 f S W > d 0 f   V W = d 1 f de note (W < d 0 f ) T =  { t 1 , t 2 ,…, tl 1 }, U={ u 1 , u 2 ,…, ul 2 }, (W > d 1 f ) S=  { s 1 , s 2 ,…, sl 3 }, V= { v 1 , v 2 ,…, vl 4 }, where   l 1 l 2 l 3 l 4 . De fine two mat r ix M and N  a s  follo ws: M = ( m ij ) l l 1  and N=( n ij ) l l 3 , where  m ij =1if  a n only if sup( tj ) sup ( ui ) and  n ij =1if and o n l y  if sup( vj ) sup( si ). We have the follow c o nc lus i on:    Theorem 2 :    Let     f B n  with   AI( f )= d. Defi ne  h ( x ):    otherwise x f T x S x x h ) ( V 0 U 1 ) (     If M and N are all colum n  full ran k  matri x , Then AI(h) d.   Proof:  Firstly, we  sh ow th at h d o e s  not  exist n on-ze ro an nihilato r   with d egree  n o  mo re  than d-1.   For a n y  g(x )   An( h ) wit h   deg (g ) d - 1 ,  we sho w  th at g(x)=0. From Equatio n  (2), it is  kno w n that if  x W < d , then  g ( x )=0. It is obviou s  that whe n   x W < d 1 h , we have:     g ( x )= 0                                                                      (7)    Now, we  onl y show that  the  equation g(x)=0  still holds if  x W < d 0 = (W < d 0 f ) T  .  Owin g to deg ( g ) d- 1 ,  w e  ha ve   0 ) ( ) sup( ) sup( x g ui x for any  ui U From th e Equation (7 ) and the  definition of  matrix M, we  have   0 ) ( 1 1 tj j i l j g m . There f ore, we  ca get equ ation s  contai ning  l 2   homog ene ou s lin ear eq ua tions  on va ri able s   g( t 1 ), g( t 2 ),… , g ( tl 1 ) , and  the  co e fficient matrix  of  the equatio n s  M is colum n  full ran k . Obviously, the equatio ns o n l y  has a  ze ro solutio n , i.e.,  g ( x )=0 al so h o lds  whe n   x W < d 0 f  . Hen c e, h do es n o t exist non-ze ro an nihilato r with deg re e n o   more than d-1.  Nex t, we  sho w  that 1 f do es n o t exist n on-ze ro an nih ilator with  de gree  no mo re  than d- 1. For any  g(x)  An ( 1 f) with  deg(g) d - 1. Den o te  g' (x)=g(1 x) it need only prove t hat    g'(x)=0,  we  will get g(x)=0. Similar to  the prev ious  proof m e thod, we will  get  g'(x)=0, hence ,   g(x)= 0 , that is to s a y, 1 f d oes n o t exist non-ze ro a nni hilator  with d egre e  no mo re than d-1.    Therefore,  Neither f no r 1 f exist no n-zero  annihil a tor  with  deg re e no  mo re t h an d - 1,   namely AI(f) d.   Similar to  th e p r eviou s  p r oof meth od,   we  will  get  that 1 doe s n o t exist  n on-ze ro  annihilato r  wi th degre e  no  more tha n  d-1.   Therefore,  Neither h n o r 1 h exist non -zero an nihilat o r  with de gree no mo re t han d - 1,  namely AI(h) d.   Usi ng  Th eor e m 2 , we can  con s tru c t a  class of Boole an  functio n with AI no less than d   from a given  Boolean  function  with  AI(f)=d. Fo r example, let  f ( x ) b e  a n-v a riabl e Majo rity  Boolean  fun c tion, where n  i s  eve n , we  ca n con s tru c t  B oolea n fun c ti ons with  go o d  cryptog r ap h i c   prop ertie s .       5.  Example of Con s tr ucting Boolean  Function w i th Good  Cr y p togr aphic Properti e s   In this section, we will  present a example of  constructing a 4-variable Boolean f unctions  with goo d cry p togra phi c propertie s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     On the Algeb raic Im m unity of Boolean F unctio n  (Cao  Hao )   3013 Example:   Le t n=4  and  d = 2 in  Th eore m 2 , and  sel e ct a  majo rity functio n  f(x)  rand omly.  The fun c tion values a nd spectrum  of  f(x)  ca n be de scribe d by the followin g  table:      Table 1. The  Functio n  Valu es an d Spect r um of  f(x)  0000  0001  0010   0011  0100  0101   0110  0111   f ( w )   1  1  1 011 00   S f (w )   -1/4   -1/2  1/4 -1/2   -1/4   1/4  w 1000   1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111   f ( w )   1  1  1 000 00   S f ( w )   -1/4  0 -1/4 0 1 /4 0 1 /4     From th e tabl e, it coul d e a s ily get that  N f =4. The  Th e N f   i s   hi gh, and  i s  clo s e to  Bent  function (the  Nonli nea rity of 4-va riabl Bent fun c tion  is  6).   Acco rding to  calcul ations,  we  ge t the  ANF of f(x) as  follows :     f ( x )= x 1 x 2 x 4 + x 1 x 3 x 4 + x 1 x 2 + x 2 x 3 + x 3 x 4 +1     Select  T = { 0 0 00,000 1}, U={001 1,110 0}, S={0 1 11,10 1 1 ,1101 } a nd  V={01 01,10 1 0 ,1001 },  then we  will g e t the matrix M and N which ar e ind u ced  by T, U, S an d V as follows:    0 1 1 1 M  ,                 1 1 0 0 1 0 1 0 1 N     Becau s e  the  matrix M an d  N a r e all  col u mn full ran k  matrix, so th e AI of the Boolea function h ( x)  deci ded  by  Theorem 2  is  optimal.  Next, we discu ss any oth e r pro p e r ties of h( x). Accordin g to cal c ulatio ns, we  get the   table whi c can pre s e n t the function val ues a nd  sp e c trum of  h(x).      Table 2. The  Functio n  Valu es an d Spect r um of  h(x)  0000   0001   0010   0011   0100  0101  0110  0111   h ( w )  0   0   1 1 1001   S h ( w )  0  0 - 1/2 0 0 1 /2 1000   1001   1010   1011   1100  1101  1110  1111   h ( w )  1   0   0 1 1100   S h ( w )  0  1/2 0 0 0 0 1/2      It is easily to get that N h =4. From the t able, we  can  see the  spe c trum  of  h(x) on the   vectors with weig ht    not morn  th an  1  are all  0,  so  h(x) i s  a  1-re silient Bool ea n functio n . From  Equation (5),  It is easy to get that the re silie n c y of h(x) is  opt imal amon all the nonli n ear  function s. T herefo r e  h(x )  a c hieve s   optimal  in   many  crypto grap hic p r op erties,  such  as  balan ce dne ss, algeb rai c  immunity, non linearity,  and  correlatio n immunity.      6. Conclusio n   We p r o pose d  a sufficien t conditio n  that modifyin g seve ral va lues  of the  Boolean   function in some point d oes not de crease  AI, and pre s ente d  a const r u c tion of 4-vari able  Boolean  fun c tion  with   good  crypto grap hic p r o pertie s su ch that  alge brai c im mun i ty,  balan ce dne ss, nonline a rit y  and correl ation immuni ty. However,  how to effectively select  the   point (a nd th en modify the  values  of the s e p o ints) i s   a difficult p r o b lem.  If this  probl em  coul d be  effectively sol v ed, it will b e  meani ngful t o  the  co n s tru c tion  of cryptosyste m  with  high  se cu rit y and it is also the furthe r re search.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 4, April 2014:  3010 – 3 014   3014   Ackn o w l e dg ements   The p ape r i s  supp orte d  by  NC FS  (605 730 26); Anhui  Province Natu ral Scien c Re sea r ch Proje c t (KJ2 0 10B059 ); Anhui Provin ce Natural  Science Re sea r ch Proje c t   (KJ2 013B0 8 3 ) ; Anhui Provi n cial  Natural Scien c e Fo un dation (1 208 0 85QF1 19 ).      Referen ces   [1]  Courto is N,  Meier W .  Al g ebra i c attacks  on stre am c i ph ers w ith  li ne ar fee dback.  Advanc es i n   Cryptol ogy-Eur ocrypt . Berlin.  200 3; 265 6: 34 5 - 359.   [2]  Armkneckt F .  Improvin g fast alg ebra i c attac ks.  Fast Software Encryption.  Delhi. 2 0 0 4 ; 3017: 65 - 8 2 [3]  Courtois N. Fast algebraic  attacks  on stream ciphers  w i th linear feedbac k,  Advances  in  Cryptol ogy- Crypto .  Califor nia. 20 03; 27 2 9 : 176-1 94.   [4]  Dala i DK, M a i t ra S, Sarkar  S. Basic th eor in c onstructi on  of Boo l e a n  functio n w i t h  ma xim u m   possi ble a n n i hi lator immu nit y Desig n s Co des  and Crypto gra phy . 200 6; 40( 1): 41-58.   [5]  Z epen g Z ,  Ji nfeng  C, Gu ozh en  X,  Ha o C.  Spec tral  An al ysis of T w o  Bo ole an F u nctio n s  an d T hei r   Derivativ e s.  Ch ines e Journ a l o f  Electronics . 2 011; 20( 4): 747 -749.   [6]  Meier W, Pasa lic E, Carl et C. Alge braic  attacks and d e com positi on of Bo o l ea n functio n s.  Advanc es i n   Cryptol ogy-Eur ocrypt .  Berlin. 200 4; 302 7: 47 4-49 1.  [7]  W e igu o  Z ,  Yong D, Ning D, Guozh en  X. A Char acter i zatio n  of Algebra i c Immune Bo ole a n  F unctions .   Journ a l of Beij i ng Un iversity o f  Posts and T e leco mmu n icati o ns . 2007; 3 0 (5) :  55-57.   [8]  Qiang  M, Lu   Shen g C, F a n g  W e i F .  C o n s truction  of Bo ole an F u nctio n s   w i th M a ximu m Alge bra i c   Immunit y Jo ur nal of Softw are . 2010; 21( 7): 1758- 176 7.   [9]  Xi ao w e X, Ai- guo W ,   Z h i-ju n Z .  Construction of Rotatio n   S y mmetric Bo ole an F uncti on w i th Go od   Cr yptogr aph ic Properti es.  Jou r nal of Electro n i cs & Informati on T e chn o l ogy . 2012; 34( 10): 235 8-23 62.   [10]  Yong- jua n  W ,  Shi- w u  Z .  Con s truction of B o ole an  fu nctio n s   w i th optimum alg ebra i imm unit y Jo urna l   of Computer A pplic atio ns . 20 12; 32(1): 4 9 -5 1, 73.  [11]  Guang pu G,  W en-fen  L. T he N o tes on the  Li ne ar  Str u ctures  of Ro tation S y mm etric Boo l e a n   F unctions.  Jou r nal of Electro n i cs & Informati on T e chn o l ogy . 2012; 34( 9): 2273- 227 6.   [12]  Yongta o  P,  W enfeng  Q.  Cons tructi on  of Bal anc ed  Correl a tio n -Immune  F uncti o n w i t h  H i g h e s t   Degr ee.  Journ a l of Electron ic s & Informatio n  T e chnol ogy . 2 006; 28( 12): 23 55-2 358.   [13]  Chu and a Q, Yi ng-d a  Y. Al ge b r aic D egr ee  of  a Cl ass B ool e an F u nction  A nni hil a tors.  Acta El ectronic a   Sinic a .  201 2; 40(6): 117 7-1 1 7 9 [14]  Hao  C, Sh imin   W, Huige  W. C onstructio n s of  od d var i ab les   s y mmetric  bo ol ean  functi ons  w i t h  sec o n d - order corr elati o n immunit y Co mp uter Eng i n e e rin g  and A ppl i c ations . 20 12;  48(2): 83- 85.   [15]  Jiao M, Qiao ya n W .  Constr uctions of Boo l e a n  F unctions  w i t h  Optimal Alg e b raic Immun i t y Journal o f   Beiji ng U n ivers i ty of Posts and T e leco mmun i catio n s.  200 9; 32(4): 73- 76.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.