84 research outputs found

    Stream ciphers for secure display

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    In any situation where private, proprietary or highly confidential material is being dealt with, the need to consider aspects of data security has grown ever more important. It is usual to secure such data from its source, over networks and on to the intended recipient. However, data security considerations typically stop at the recipient's processor, leaving connections to a display transmitting raw data which is increasingly in a digital format and of value to an adversary. With a progression to wireless display technologies the prominence of this vulnerability is set to rise, making the implementation of 'secure display' increasingly desirable. Secure display takes aspects of data security right to the display panel itself, potentially minimising the cost, component count and thickness of the final product. Recent developments in display technologies should help make this integration possible. However, the processing of large quantities of time-sensitive data presents a significant challenge in such resource constrained environments. Efficient high- throughput decryption is a crucial aspect of the implementation of secure display and one for which the widely used and well understood block cipher may not be best suited. Stream ciphers present a promising alternative and a number of strong candidate algorithms potentially offer the hardware speed and efficiency required. In the past, similar stream ciphers have suffered from algorithmic vulnerabilities. Although these new-generation designs have done much to respond to this concern, the relatively short 80-bit key lengths of some proposed hardware candidates, when combined with ever-advancing computational power, leads to the thesis identifying exhaustive search of key space as a potential attack vector. To determine the value of protection afforded by such short key lengths a unique hardware key search engine for stream ciphers is developed that makes use of an appropriate data element to improve search efficiency. The simulations from this system indicate that the proposed key lengths may be insufficient for applications where data is of long-term or high value. It is suggested that for the concept of secure display to be accepted, a longer key length should be used

    Security of Ubiquitous Computing Systems

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    The chapters in this open access book arise out of the EU Cost Action project Cryptacus, the objective of which was to improve and adapt existent cryptanalysis methodologies and tools to the ubiquitous computing framework. The cryptanalysis implemented lies along four axes: cryptographic models, cryptanalysis of building blocks, hardware and software security engineering, and security assessment of real-world systems. The authors are top-class researchers in security and cryptography, and the contributions are of value to researchers and practitioners in these domains. This book is open access under a CC BY license

    On Some Symmetric Lightweight Cryptographic Designs

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    This dissertation presents cryptanalysis of several symmetric lightweight primitives, both stream ciphers and block ciphers. Further, some aspects of authentication in combination with a keystream generator is investigated, and a new member of the Grain family of stream ciphers, Grain-128a, with built-in support for authentication is presented. The first contribution is an investigation of how authentication can be provided at a low additional cost, assuming a synchronous stream cipher is already implemented and used for encryption. These findings are then used when presenting the latest addition to the Grain family of stream ciphers, Grain-128a. It uses a 128-bit key and a 96-bit initialization vector to generate keystream, and to possibly also authenticate the plaintext. Next, the stream cipher BEAN, superficially similar to Grain, but notably using a weak output function and two feedback with carry shift registers (FCSRs) rather than linear and (non-FCSR) nonlinear feedback shift registers, is cryptanalyzed. An efficient distinguisher and a state-recovery attack is given. It is shown how knowledge of the state can be used to recover the key in a straightforward way. The remainder of this dissertation then focuses on block ciphers. First, a related-key attack on KTANTAN is presented. The attack notably uses only a few related keys, runs in less than half a minute on a current computer, and directly contradicts the designers' claims. It is discussed why this is, and what can be learned from this. Next, PRINTcipher is subjected to linear cryptanalysis. Several weak key classes are identified and it is shown how several observations of the same statistical property can be made for each plaintext--ciphertext pair. Finally, the invariant subspace property, first observed for certain key classes in PRINTcipher, is investigated. In particular, its connection to large linear biases is studied through an eigenvector which arises inside the cipher and leads to trail clustering in the linear hull which, under reasonable assumptions, causes a significant number of large linear biases. Simulations on several versions of PRINTcipher are compared to the theoretical findings

    Security of Ubiquitous Computing Systems

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    The chapters in this open access book arise out of the EU Cost Action project Cryptacus, the objective of which was to improve and adapt existent cryptanalysis methodologies and tools to the ubiquitous computing framework. The cryptanalysis implemented lies along four axes: cryptographic models, cryptanalysis of building blocks, hardware and software security engineering, and security assessment of real-world systems. The authors are top-class researchers in security and cryptography, and the contributions are of value to researchers and practitioners in these domains. This book is open access under a CC BY license

    Contributions to Confidentiality and Integrity Algorithms for 5G

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    The confidentiality and integrity algorithms in cellular networks protect the transmission of user and signaling data over the air between users and the network, e.g., the base stations. There are three standardised cryptographic suites for confidentiality and integrity protection in 4G, which are based on the AES, SNOW 3G, and ZUC primitives, respectively. These primitives are used for providing a 128-bit security level and are usually implemented in hardware, e.g., using IP (intellectual property) cores, thus can be quite efficient. When we come to 5G, the innovative network architecture and high-performance demands pose new challenges to security. For the confidentiality and integrity protection, there are some new requirements on the underlying cryptographic algorithms. Specifically, these algorithms should: 1) provide 256 bits of security to protect against attackers equipped with quantum computing capabilities; and 2) provide at least 20 Gbps (Gigabits per second) speed in pure software environments, which is the downlink peak data rate in 5G. The reason for considering software environments is that the encryption in 5G will likely be moved to the cloud and implemented in software. Therefore, it is crucial to investigate existing algorithms in 4G, checking if they can satisfy the 5G requirements in terms of security and speed, and possibly propose new dedicated algorithms targeting these goals. This is the motivation of this thesis, which focuses on the confidentiality and integrity algorithms for 5G. The results can be summarised as follows.1. We investigate the security of SNOW 3G under 256-bit keys and propose two linear attacks against it with complexities 2172 and 2177, respectively. These cryptanalysis results indicate that SNOW 3G cannot provide the full 256-bit security level. 2. We design some spectral tools for linear cryptanalysis and apply these tools to investigate the security of ZUC-256, the 256-bit version of ZUC. We propose a distinguishing attack against ZUC-256 with complexity 2236, which is 220 faster than exhaustive key search. 3. We design a new stream cipher called SNOW-V in response to the new requirements for 5G confidentiality and integrity protection, in terms of security and speed. SNOW-V can provide a 256-bit security level and achieve a speed as high as 58 Gbps in software based on our extensive evaluation. The cipher is currently under evaluation in ETSI SAGE (Security Algorithms Group of Experts) as a promising candidate for 5G confidentiality and integrity algorithms. 4. We perform deeper cryptanalysis of SNOW-V to ensure that two common cryptanalysis techniques, guess-and-determine attacks and linear cryptanalysis, do not apply to SNOW-V faster than exhaustive key search. 5. We introduce two minor modifications in SNOW-V and propose an extreme performance variant, called SNOW-Vi, in response to the feedback about SNOW-V that some use cases are not fully covered. SNOW-Vi covers more use cases, especially some platforms with less capabilities. The speeds in software are increased by 50% in average over SNOW-V and can be up to 92 Gbps.Besides these works on 5G confidentiality and integrity algorithms, the thesis is also devoted to local pseudorandom generators (PRGs). 6. We investigate the security of local PRGs and propose two attacks against some constructions instantiated on the P5 predicate. The attacks improve existing results with a large gap and narrow down the secure parameter regime. We also extend the attacks to other local PRGs instantiated on general XOR-AND and XOR-MAJ predicates and provide some insight in the choice of safe parameters

    Lightweight Cryptography for Passive RFID Tags

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    Encriptación sobre Capa Física para Ethernet Óptico de Alta Velocidad

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    INTRODUCCIÓN-------------------------Hoy en día, los enlaces ópticos con tasas de transmisión de hasta 100 Gbps y superiores son ya una realidad. Gracias a los avances logrados en las comunicaciones ópticas durante las últimas décadas es posible afrontar anchos de banda cada vez mayores, lo que satisface las demandas de las aplicaciones más exigentes [CIS16], como por ejemplo las basadas en cloud computing o big data. Por otro lado, la seguridad en la información sigue siendo un asunto de gran importancia en las comunicaciones ya que el volumen de amenazas en la red se ha incrementado durante los últimos años [CIS18]. Los fallos en la seguridad podrían llevar al mal funcionamiento de un servicio o la pérdida de confidencialidad en datos críticos de los clientes. En un sistema de comunicaciones por capas, como por ejemplo en el modelo OSI (Open System Interconnection) o TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), se pueden llevar a cabo tanto ataques pasivos como activos en los diferentes niveles de la comunicación. Dependiendo de las capas de comunicación utilizadas, distintos mecanismos pueden ser adoptados para lograr la seguridad de la información. Por ejemplo, protocolos estandarizados tales como MACsec [IEE06] o IPsec [KEN05] son empleados normalmente en la capa 2 (capa de enlace de datos) y capa 3 (capa de red), respectivamente. En ambos casos la encriptación es llevada a cabo en cada trama o paquete de datos de forma individual. Para el caso particular de las redes ópticas, el análisis de las amenazas en su capa 1 (capa física) también es considerado crítico para garantizar unas comunicaciones seguras [SKO16], [FUR14]. En este caso se pueden destacar tres tipos de ataques: ataques de inserción de señal, ataques por splitting y ataques a las infraestructuras físicas. Los ataques por splitting son normalmente empleados para espionaje pasivo o para producir degradación en la señal [SKO16], estos se pueden llevar a cabo fácilmente gracias a técnicas de derivación en la fibra. De hecho, hoy en día ya existen métodos de bajo coste para interceptar la señal óptica gracias a dispositivos de acoplamiento óptico y conversores electroópticos sin la necesidad de interferir perceptiblemente en las comunicaciones [ZAF11]. Con el fin de tratar estas amenazas y proteger la confidencialidad de los datos en la capa física, varios mecanismos relacionados con tecnologías fotónicas han sido propuestos [FOK11], por ejemplo OCDM (Optical Code Division Multiplexing) [JI17], SCOC (Secure Communications using Optical Chaos) [HIZ10] o QKD (Quantum Key Distribution) [ELK13]. Otras técnicas, también relacionadas con protocolos de capa física, cifran la información a nivel de bit independientemente de la tecnología fotónica empleada, como la encriptación de los datos del payload en las tramas OTN (Optical Transport Network) [GUA16]. Algunas de las ventajas reivindicadas por estas técnicas de encriptación consisten en cifrar la información “al vuelo” introduciendo un overhead nulo en los datos y una latencia muy baja (en el rango de nanosegundos) en la información transmitida [GUA16]. De hecho, hoy en día ya están disponibles en el mercado equipos de comunicaciones OTN que realizan el cifrado a la velocidad de línea sin mermar el throughput, es decir consiguiendo un rendimiento de la transmisión del 100% [MIC16]. Esto contrasta con lo que hacen ciertos protocolos en otras capas de comunicación [KOL13], [XEN06]. Por ejemplo, IPsec generalmente introduce latencias en el rango de milisegundos. Además, el overhead introducido por IPsec durante el cifrado limita el rendimiento de transmisión a valores entre el 20% y el 90% de la máxima tasa de datos posible sin encriptación [TRO05], [KOL13]. Aparte de lograr la confidencialidad, alguno de los métodos mencionados anteriormente también es capaz de conseguir privacidad contra intrusos pasivos [FOK11], entendiendo esta como la amenaza cuando dichos intrusos pueden detectar simplemente la presencia de comunicaciones, aunque sean incapaces de descifrar el contenido de la información de las mismas. Esta habilidad puede ofrecer seguridad contra ataques basados en el análisis de los patrones del tráfico, que permitirían revelar información del comportamiento de una compañía o instalación. Dentro de los estándares de comunicaciones ópticas, Ethernet es uno de los más empleados hoy día. Un claro ejemplo es el acceso a las redes de transporte ópticas donde este estándar es utilizado normalmente cuando las tasas de acceso superan el gigabit por segundo. Tal y como se muestra en la Fig.1-1, algunas tecnologías de acceso en los tramos de última milla de las CEN (Carrier Ethernet Networks) son Ethernet sobre fibra (Fibra Directa con Ethernet, Ethernet sobre SONET/SDH, Ethernet sobre PON), Ethernet sobre PDH o Ethernet inalámbrico [MET09]. Dos de los estándares ópticos Ethernet más empleados hoy en día son los denominados 1000Base-X y 10GBase-R con tasas de transmisión de 1 Gbps y 10 Gbps, respectivamente.OBJETIVOS-------------------En el caso de las comunicaciones sobre Ethernet óptico no existe ningún mecanismo que logre la mencionada privacidad al mismo tiempo que la confidencialidad, sin que además introduzca un overhead o latencias indeseadas. El objetivo de esta tesis es el de proporcionar soluciones a dos de los estándares ópticos Ethernet más empleados, tales como 1000Base-X o 10GBase-R, logrando las características citadas anteriormente. En general los principales aspectos que se pretenden desarrollar en esta tesis son los siguientes: • Realizar propuestas viables de modificación de ambos estándares, 1000Base-X y 10GBase-R, de forma que se pueda llevar a cabo la encriptación en la capa física. • Lograr la compatibilidad de las nuevas arquitecturas de encriptación con dichos estándares de forma que el hardware electrónico más dependiente del medio de transmisión, como los módulos ópticos SFP, los SERDES o los circuitos de recuperación de reloj y datos, no necesite modificaciones adicionales. • Realizar un estudio de los posibles esquemas de encriptación por streaming que sean capaces de cifrar datos a velocidades superiores a 1 Gbps y adaptarlos a las arquitecturas propuestas. • Estudiar posibles mecanismos para llevar a cabo la sincronización de los módulos de encriptación entre dos terminales remotos.• Lograr que las soluciones propuestas lleven a cabo la encriptación introduciendo la menor latencia posible, al menos en un orden de magnitud igual o inferior al de soluciones en otros estándares de comunicaciones como OTN. • Llevar a cabo un análisis de la seguridad de las soluciones propuestas, incluyendo el estudio de la capacidad de privacidad en las comunicaciones. • Proponer un esquema de chequeo de integridad, autenticación y refresco de claves a nivel de capa física. • Llevar a cabo la implementación y verificación física de las soluciones propuestas.PUBLICACIONES----------------------------[PER19a] A. Pérez-Resa, M. Garcia-Bosque, C. Sánchez-Azqueta, and S. Celma. "Chaotic Encryption Applied to Optical Ethernet in Industrial Control Systems". IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 68(12):4876–4886, Dec 2019. [PER19b] A. Pérez-Resa, M. Garcia-Bosque, C. Sánchez-Azqueta, and S. Celma. "Physical Layer Encryption for Industrial Ethernet in Gigabit Optical Links". IEEE Transactions on Industrial Electronics, 66(4):3287–3295, April 2019. [PER19c] A. Pérez-Resa, M. Garcia-Bosque, C. Sánchez-Azqueta, and S. Celma. "Chaotic Encryption for 10-Gb Ethernet Optical Links". IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 66(2):859–868, Feb. 2019. [PER19d] A. Pérez-Resa, M. Garcia-Bosque, C. Sánchez-Azqueta, and S. Celma. "Self-Synchronized Encryption for Physical Layer in 10Gbps Optical Links". IEEE Transactions on Computers, 68(6):899–911, June 2019. [PER19e] A. Pérez-Resa, M. Garcia-Bosque, C. Sánchez-Azqueta, and S. Celma. "Self-Synchronized Encryption Using an FPE Block Cipher for Gigabit Ethernet". In 2019 15th Conference on Ph.D Research in Microelectronics and Electronics (PRIME), pages 81–84, Lausanne, Switzerland, July 2019. [PER20a] A. Pérez-Resa, M. Garcia-Bosque, C. Sánchez-Azqueta, and S. Celma. "A New Method for Format Preserving Encryption in High-Data Rate Communications". IEEE Access, 8:21003–21016, 2020. [PER20b] A. Pérez-Resa, M. Garcia-Bosque, C. Sánchez-Azqueta, and S. Celma. "Self-synchronized Encryption for Physical Layer in 1Gbps Ethernet Optical Links". IEEE Access, Pending Acceptance.<br /
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