Building Correlation Immune Functions from Sets of Mutually Orthogonal Cellular Automata

Correlation immune Boolean functions play an important role in the implementation of efficient masking countermeasures for side-channel attacks in cryptography. In this paper, we investigate a method to construct correlation immune functions through families of mutually orthogonal cellular automata (MOCA). First, we show that the orthogonal array (OA) associated to a family of MOCA can be expanded to a binary OA of strength at least 2. To prove this result, we exploit the characterization of MOCA in terms of orthogonal labelings on de Bruijn graphs. Then, we use the resulting binary OA to define the support of a second-order correlation immune function. Next, we perform some computational experiments to construct all such functions up to $n=12$ variables, and observe that their correlation immunity order is actually greater, always at least 3. We conclude by discussing how these results open up interesting perspectives for future research, with respect to the search of new correlation-immune functions and binary orthogonal arrays

Building Correlation Immune Functions from Sets of Mutually Orthogonal Cellular Automata

Correlation immune Boolean functions play an important role in the implementation of efficient masking countermeasures for side-channel attacks in cryptography. In this paper, we investigate a method to construct correlation immune functions through families of mutually orthogonal cellular automata (MOCA). First, we show that the orthogonal array (OA) associated to a family of MOCA can be expanded to a binary OA of strength at least 2. To prove this result, we exploit the characterization of MOCA in terms of orthogonal labelings on de Bruijn graphs. Then, we use the resulting binary OA to define the support of a second-order correlation immune function. Next, we perform some computational experiments to construct all such functions up to n= 12 variables, and observe that their correlation immunity order is actually greater, always at least 3. We conclude by discussing how these results open up interesting perspectives for future research, with respect to the search of new correlation-immune functions and binary orthogonal arrays.</p

Artificial Intelligence for the design of symmetric cryptographic primitives

Algorithms and the Foundations of Software technolog

To Infect Or Not To Infect: A Critical Analysis Of Infective Countermeasures In Fault Attacks

As fault based cryptanalysis is becoming more and more of a practical threat, it is imperative to make efforts to devise suitable countermeasures. In this regard, the so-called ``infective countermeasures\u27\u27 have garnered particular attention from the community due to its ability in inhibiting differential fault attacks without explicitly detecting the fault. We observe that despite being adopted over a decade ago, a systematic study of infective countermeasures is missing from the literature. Moreover, there seems to be a lack of proper security analysis of the schemes proposed, as quite a few of them have been broken promptly. Our first contribution comes in the form of a generalization of infective schemes which aids us with a better insight into the vulnerabilities, scopes for cost reduction and possible improvements. This way, we are able to propose lightweight alternatives of two existing schemes. Further we analyze shortcomings of LatinCrypt\u2712 and CHES\u2714 schemes and propose a simple patch for the former

On the design of stream ciphers with Cellular Automata having radius = 2

Cellular Automata (CA) have recently evolved as a good cryptographic primitive. It plays an important role in the construction of new fast, ef&#64257;cient and secure stream ciphers. Several studies have been made on CA based stream ciphers and we observe that the cryptographic strength of a CA based stream cipher increases with the increase in the neighbourhood radii if appropriate CA rules are employed. The current work explores the cryptographic feasibility of 5-neighbourhood CA rules also referred to as pentavalent rules. A new CA based stream cipher, CARPenter, which uses pentavalent rules have been proposed. The cipher incorporates maximum length null-boundary linear CA and a non-linear CA along with a good non-linear mixing function. This is implemented in hardware as well as software and exhibits good cryptographic properties which makes the cipher resistant to almost all attacks on stream ciphers, but with the cost of additional computing requirements. This cipher uses 16 cycles for initialization, which is the least number of cycles when compared to other existing stream ciphers

Review on Lightweight Cryptography Techniques and Steganography Techniques for IOT Environment

In the modern world, technology has connected to our day-to-day life in different forms. The Internet of Things (IoT) has become an innovative criterion for mass implementations and a part of daily life. However, this rapid growth leads the huge traffic and security problems. There are several challenges arise while deploying IoT. The most common challenges are privacy and security during data transmission. To address these issues, various lightweight cryptography and steganography techniques were introduced. These techniques are helpful in securing the data over the IoT. The hybrid of cryptography and steganography mechanisms provides enhanced security to confidential messages. Any messages can be secured by cryptography or by embedding the messages into any media files, including text, audio, image, and video, using steganography. Hence, this article has provided a detailed review of efficient, lightweight security solutions based on cryptography and steganography and their function over IoT applications. The objective of the paper is to study and analyze various Light weight cryptography techniques and Steganography techniques for IoT. A few works of literature were reviewed in addition to their merits and limitations. Furthermore, the common problems in the reviewed techniques are explained in the discussion section with their parametric comparison. Finally, the future scope to improve IoT security solutions based on lightweight cryptography and steganography is mentioned in the conclusion part

Security of Ubiquitous Computing Systems

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

Security of Ubiquitous Computing Systems

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

Constructing TI-Friendly Substitution Boxes Using Shift-Invariant Permutations

The threat posed by side channels requires ciphers that can be efficiently protected in both software and hardware against such attacks. In this paper, we proposed a novel Sbox construction based on iterations of shift-invariant quadratic permutations and linear diffusions. Owing to the selected quadratic permutations, all of our Sboxes enable uniform 3-share threshold implementations, which provide first order SCA protections without any fresh randomness. More importantly, because of the shift-invariant property, there are ample implementation trade-offs available, in software as well as hardware. We provide implementation results (software and hardware) for a four-bit and an eight-bit Sbox, which confirm that our constructions are competitive and can be easily adapted to various platforms as claimed. We have successfully verified their resistance to first order attacks based on real acquisitions. Because there are very few studies focusing on software-based threshold implementations, our software implementations might be of independent interest in this regard

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 /