Digital Design of New Chaotic Ciphers for Ethernet Traffic

Durante los últimos años, ha habido un gran desarrollo en el campo de la criptografía, y muchos algoritmos de encriptado así como otras funciones criptográficas han sido propuestos.Sin embargo, a pesar de este desarrollo, hoy en día todavía existe un gran interés en crear nuevas primitivas criptográficas o mejorar las ya existentes. Algunas de las razones son las siguientes:• Primero, debido el desarrollo de las tecnologías de la comunicación, la cantidad de información que se transmite está constantemente incrementándose. En este contexto, existen numerosas aplicaciones que requieren encriptar una gran cantidad de datos en tiempo real o en un intervalo de tiempo muy reducido. Un ejemplo de ello puede ser el encriptado de videos de alta resolución en tiempo real. Desafortunadamente, la mayoría de los algoritmos de encriptado usados hoy en día no son capaces de encriptar una gran cantidad de datos a alta velocidad mientras mantienen altos estándares de seguridad.• Debido al gran aumento de la potencia de cálculo de los ordenadores, muchos algoritmos que tradicionalmente se consideraban seguros, actualmente pueden ser atacados por métodos de “fuerza bruta” en una cantidad de tiempo razonable. Por ejemplo, cuando el algoritmo de encriptado DES (Data Encryption Standard) fue lanzado por primera vez, el tamaño de la clave era sólo de 56 bits mientras que, hoy en día, el NIST (National Institute of Standards and Technology) recomienda que los algoritmos de encriptado simétricos tengan una clave de, al menos, 112 bits. Por otro lado, actualmente se está investigando y logrando avances significativos en el campo de la computación cuántica y se espera que, en el futuro, se desarrollen ordenadores cuánticos a gran escala. De ser así, se ha demostrado que algunos algoritmos que se usan actualmente como el RSA (Rivest Shamir Adleman) podrían ser atacados con éxito.• Junto al desarrollo en el campo de la criptografía, también ha habido un gran desarrollo en el campo del criptoanálisis. Por tanto, se están encontrando nuevas vulnerabilidades y proponiendo nuevos ataques constantemente. Por consiguiente, es necesario buscar nuevos algoritmos que sean robustos frente a todos los ataques conocidos para sustituir a los algoritmos en los que se han encontrado vulnerabilidades. En este aspecto, cabe destacar que algunos algoritmos como el RSA y ElGamal están basados en la suposición de que algunos problemas como la factorización del producto de dos números primos o el cálculo de logaritmos discretos son difíciles de resolver. Sin embargo, no se ha descartado que, en el futuro, se puedan desarrollar algoritmos que resuelvan estos problemas de manera rápida (en tiempo polinomial).• Idealmente, las claves usadas para encriptar los datos deberían ser generadas de manera aleatoria para ser completamente impredecibles. Dado que las secuencias generadas por generadores pseudoaleatorios, PRNGs (Pseudo Random Number Generators) son predecibles, son potencialmente vulnerables al criptoanálisis. Por tanto, las claves suelen ser generadas usando generadores de números aleatorios verdaderos, TRNGs (True Random Number Generators). Desafortunadamente, los TRNGs normalmente generan los bits a menor velocidad que los PRNGs y, además, las secuencias generadas suelen tener peores propiedades estadísticas, lo que hace necesario que pasen por una etapa de post-procesado. El usar un TRNG de baja calidad para generar claves, puede comprometer la seguridad de todo el sistema de encriptado, como ya ha ocurrido en algunas ocasiones. Por tanto, el diseño de nuevos TRNGs con buenas propiedades estadísticas es un tema de gran interés.En resumen, es claro que existen numerosas líneas de investigación en el ámbito de la criptografía de gran importancia. Dado que el campo de la criptografía es muy amplio, esta tesis se ha centra en tres líneas de investigación: el diseño de nuevos TRNGs, el diseño de nuevos cifradores de flujo caóticos rápidos y seguros y, finalmente, la implementación de nuevos criptosistemas para comunicaciones ópticas Gigabit Ethernet a velocidades de 1 Gbps y 10 Gbps. Dichos criptosistemas han estado basados en los algoritmos caóticos propuestos, pero se han adaptado para poder realizar el encriptado en la capa física, manteniendo el formato de la codificación. De esta forma, se ha logrado que estos sistemas sean capaces no sólo de encriptar los datos sino que, además, un atacante no pueda saber si se está produciendo una comunicación o no. Los principales aspectos cubiertos en esta tesis son los siguientes:• Estudio del estado del arte, incluyendo los algoritmos de encriptado que se usan actualmente. En esta parte se analizan los principales problemas que presentan los algoritmos de encriptado standard actuales y qué soluciones han sido propuestas. Este estudio es necesario para poder diseñar nuevos algoritmos que resuelvan estos problemas.• Propuesta de nuevos TRNGs adecuados para la generación de claves. Se exploran dos diferentes posibilidades: el uso del ruido generado por un acelerómetro MEMS (Microelectromechanical Systems) y el ruido generado por DNOs (Digital Nonlinear Oscillators). Ambos casos se analizan en detalle realizando varios análisis estadísticos a secuencias obtenidas a distintas frecuencias de muestreo. También se propone y se implementa un algoritmo de post-procesado simple para mejorar la aleatoriedad de las secuencias generadas. Finalmente, se discute la posibilidad de usar estos TRNGs como generadores de claves. • Se proponen nuevos algoritmos de encriptado que son rápidos, seguros y que pueden implementarse usando una cantidad reducida de recursos. De entre todas las posibilidades, esta tesis se centra en los sistemas caóticos ya que, gracias a sus propiedades intrínsecas como la ergodicidad o su comportamiento similar al comportamiento aleatorio, pueden ser una buena alternativa a los sistemas de encriptado clásicos. Para superar los problemas que surgen cuando estos sistemas son digitalizados, se proponen y estudian diversas estrategias: usar un sistema de multi-encriptado, cambiar los parámetros de control de los sistemas caóticos y perturbar las órbitas caóticas.• Se implementan los algoritmos propuestos. Para ello, se usa una FPGA Virtex 7. Las distintas implementaciones son analizadas y comparadas, teniendo en cuenta diversos aspectos tales como el consumo de potencia, uso de área, velocidad de encriptado y nivel de seguridad obtenido. Uno de estos diseños, se elige para ser implementado en un ASIC (Application Specific Integrate Circuit) usando una tecnología de 0,18 um. En cualquier caso, las soluciones propuestas pueden ser también implementadas en otras plataformas y otras tecnologías.• Finalmente, los algoritmos propuestos se adaptan y aplican a comunicaciones ópticas Gigabit Ethernet. En particular, se implementan criptosistemas que realizan el encriptado al nivel de la capa física para velocidades de 1 Gbps y 10 Gbps. Para realizar el encriptado en la capa física, los algoritmos propuestos en las secciones anteriores se adaptan para que preserven el formato de la codificación, 8b/10b en el caso de 1 Gb Ethernet y 64b/10b en el caso de 10 Gb Ethernet. En ambos casos, los criptosistemas se implementan en una FPGA Virtex 7 y se diseña un set experimental, que incluye dos módulos SFP (Small Form-factor Pluggable) capaces de transmitir a una velocidad de hasta 10.3125 Gbps sobre una fibra multimodo de 850 nm. Con este set experimental, se comprueba que los sistemas de encriptado funcionan correctamente y de manera síncrona. Además, se comprueba que el encriptado es bueno (pasa todos los test de seguridad) y que el patrón del tráfico de datos está oculto.<br /

New cryptanalysis of LFSR-based stream ciphers and decoders for p-ary QC-MDPC codes

The security of modern cryptography is based on the hardness of solving certain problems. In this context, a problem is considered hard if there is no known polynomial time algorithm to solve it. Initially, the security assessment of cryptographic systems only considered adversaries with classical computational resources, i.e., digital computers. It is now known that there exist polynomial-time quantum algorithms that would render certain cryptosystems insecure if large-scale quantum computers were available. Thus, adversaries with access to such computers should also be considered. In particular, cryptosystems based on the hardness of integer factorisation or the discrete logarithm problem would be broken. For some others such as symmetric-key cryptosystems, the impact seems not to be as serious; it is recommended to at least double the key size of currently used systems to preserve their security level. The potential threat posed by sufficiently powerful quantum computers motivates the continued study and development of post-quantum cryptography, that is, cryptographic systems that are secure against adversaries with access to quantum computations. It is believed that symmetric-key cryptosystems should be secure from quantum attacks. In this manuscript, we study the security of one such family of systems; namely, stream ciphers. They are mainly used in applications where high throughput is required in software or low resource usage is required in hardware. Our focus is on the cryptanalysis of stream ciphers employing linear feedback shift registers (LFSRs). This is modelled as the problem of finding solutions to systems of linear equations with associated probability distributions on the set of right hand sides. To solve this problem, we first present a multivariate version of the correlation attack introduced by Siegenthaler. Building on the ideas of the multivariate attack, we propose a new cryptanalytic method with lower time complexity. Alongside this, we introduce the notion of relations modulo a matrix B, which may be seen as a generalisation of parity-checks used in fast correlation attacks. The latter are among the most important class of attacks against LFSR-based stream ciphers. Our new method is successfully applied to hard instances of the filter generator and requires a lower amount of keystream compared to other attacks in the literature. We also perform a theoretical attack against the Grain-v1 cipher and an experimental attack against a toy Grain-like cipher. Compared to the best previous attack, our technique requires less keystream bits but also has a higher time complexity. This is the result of joint work with Semaev. Public-key cryptosystems based on error-correcting codes are also believed to be secure against quantum attacks. To this end, we develop a new technique in code-based cryptography. Specifically, we propose new decoders for quasi-cyclic moderate density parity-check (QC-MDPC) codes. These codes were proposed by Misoczki et al.\ for use in the McEliece scheme. The use of QC-MDPC codes avoids attacks applicable when using low-density parity-check (LDPC) codes and also allows for keys with short size. Although we focus on decoding for a particular instance of the p-ary QC-MDPC scheme, our new decoding algorithm is also a general decoding method for p-ary MDPC-like schemes. This algorithm is a bit-flipping decoder, and its performance is improved by varying thresholds for the different iterations. Experimental results demonstrate that our decoders enjoy a very low decoding failure rate for the chosen p-ary QC-MDPC instance. This is the result of joint work with Guo and Johansson.Doktorgradsavhandlin

Graph-Based Approach to the Edit Distance Cryptanalysis of Irregularly Clocked Linear Feedback Shift Registers

This paper proposes a speed-up of a known-plaintext attack on some stream ciphers based on Linear Feedback Shift Registers (LFSRs). The algorithm consists of two basic steps: first, to guess the initial seed value of one of the LFSRs, and then to use the resulting binary sequence in order to deduce useful information about the cipher parameters. In particular, the proposed divide-and-conquer attack is based on a combination of graph-based techniques with edit distance concepts. While the original edit distance attack requires the exhaustive search over the set of all possible initial states of the involved LFSR, this work presents a new heuristic optimization that avoids the evaluation of an important number of initial states through the identification of the most promising branches of the search graph. The strongest aspects of the proposal are the facts that the obtained results from the attack are absolutely deterministic, and that many inconsistent initial states of the target LFSRs are recognized and avoided during search.This work was supported by the Spanish Ministry of Science and Innovation and European FEDER Fund under Project TIN2008-02236/TSI as well as by CDTI (Spain)and the companies INDRA, Unin Fenosa, Tecnobit, Visual Tool, Brainstorm, SAC and Technosafe under Project Cenit-HESPERIA.Peer reviewe