Cryptanalysis of Some Double-Block-Length Hash Modes of Block Ciphers with nn-Bit Block and nn-Bit Key

In this paper, we make attacks on DBL (Double-Block-Length) hash modes of block ciphers with $n$-bit key and $n$-bit block. Our preimage attack on the hash function of MDC-4 scheme requires the time complexity $2^{3n/2}$, which is significantly improved compared to the previous results. Our collision attack on the hash function of MJH scheme has time complexity less than $2^{124}$ for $n = 128$. Our preimage attack on the compression function of MJH scheme find a preimage with time complexity of $2^n$. It is converted to a preimage attack on the hash function with time complexity of $2^{3n/2+2}$. Our preimage attack on the compression function of Mennink\u27s scheme find a preimage with time complexity of $2^{3n/2}$. It is converted to a preimage attack on the hash function with time complexity of $2^{7n/4+1}$. These attacks are helpful for understanding the security of the hash modes together with their security proofs

Efficient Hashing Using the AES Instruction Set

In this work, we provide a software benchmark for a large range of 256-bit blockcipher-based hash functions. We instantiate the underlying blockcipher with AES, which allows us to exploit the recent AES instruction set (AESNI). Since AES itself only outputs 128 bits, we consider double-block-length constructions, as well as (single-block-length) constructions based on RIJNDAEL-256. Although we primarily target architectures supporting AES-NI, our framework has much broader applications by estimating the performance of these hash functions on any (micro-)architecture given AES-benchmark results. As far as we are aware, this is the first comprehensive performance comparison of multiblock- length hash functions in software

Design and Analysis of Cryptographic Hash Functions

Wydział Matematyki i InformatykiKryptograficzne funkcje haszujące stanowią element składowy wielu algorytmów kryptograficznych. Przykładowymi zastosowaniami kryptograficznych funkcji haszujących są podpisy cyfrowe oraz kody uwierzytelniania wiadomości. Ich własności kryptograficzne mają znaczący wpływ na poziom bezpieczeństwa systemów kryptograficznych wykorzystujących haszowanie. W dysertacji analizowane są kryptograficzne funkcje haszujące oraz omówione główne zasady tworzenia bezpiecznych kryptograficznych funkcji haszujących. Analizujemy bezpieczeństwo dedykowanych funkcji haszujących (BMW, Shabal, SIMD, BLAKE2, Skein) oraz funkcji haszujących zbudowanych z szyfrów blokowych (Crypton, Hierocrypt-3, IDEA, SAFER++, Square). Głównymi metodami kryptoanalizy użytymi są skrócona analiza różnicowa, analiza rotacyjna i przesuwna. Uzyskane wyniki pokazują słabości analizowanych konstrukcji.Cryptographic Hash Functions (CHFs) are building blocks of many cryptographic algorithms. For instance, they are indispensable tools for efficient digital signature and authentication tags. Their security properties have tremendous impact on the security level of systems, which use cryptographic hashing. This thesis analyzes CHFs and studies the design principles for construction of secure and efficient CHFs. The dissertation investigates security of both dedicated hash functions (BMW, Shabal, SIMD, BLAKE2, Skein) and hash functions based on block ciphers (Crypton, Hierocrypt-3, IDEA, SAFER++, Square). The main cryptographic tools applied are truncated differentials, rotational and shift analysis. The findings show weaknesses in the designs

MJH: A Faster Alternative to MDC-2

Abstract. In this paper, we introduce a new class of double-block-length hash functions. Using the ideal cipher model, we prove that these hash functions, dubbed MJH, are asymptotically collision resistant up to O(2n(1−)) query complexity for any > 0 in the iteration, where n is the block size of the underlying blockcipher. When based on n-bit key blockciphers, our construction, being of rate 1/2, provides better provable security than MDC-2, the only known construction of a rate-1/2 double-length hash function based on an n-bit key blockcipher with non-trivial provable security. Moreover, since key scheduling is performed only once per message block for MJH, our proposal significantly outperforms MDC-2 in efficiency. When based on a 2n-bit key blockcipher, we can use the extra n bits of key to increase the amount of payload accordingly. Thus we get a rate-1 hash function that is much faster than existing proposals, such as Tandem-DM with comparable provable security. This is the full version of [19].

Quantum Rebound Attacks on Reduced-Round ARIA-Based Hash Functions

ARIA is a block cipher proposed by Kwon et al. at ICISC 2003, and it is widely used as the national standard block cipher in the Republic of Korea. In this study, we identify some flaws in the quantum rebound attack on 7-round ARIA-DM proposed by Dou et al., and we reveal that the limit of this attack is up to 5-round. Our revised attack applies not only to ARIA-DM but also to ARIA-MMO and ARIA-MP among the PGV models, and it is valid for all key lengths of ARIA. Moreover, we present dedicated quantum rebound attacks on 7-round ARIA-Hirose and ARIA-MJH for the first time. These attacks are only valid for the 256-bit key length of ARIA because they are constructed using the degrees of freedom in the key schedule. All our attacks are faster than the generic quantum attack in the cost metric of time–space tradeoff

Design and Analysis of Multi-Block-Length Hash Functions

Cryptographic hash functions are used in many cryptographic applications, and the design of provably secure hash functions (relative to various security notions) is an active area of research. Most of the currently existing hash functions use the Merkle-Damgård paradigm, where by appropriate iteration the hash function inherits its collision and preimage resistance from the underlying compression function. Compression functions can either be constructed from scratch or be built using well-known cryptographic primitives such as a blockcipher. One classic type of primitive-based compression functions is single-block-length : It contains designs that have an output size matching the output length n of the underlying primitive. The single-block-length setting is well-understood. Yet even for the optimally secure constructions, the (time) complexity of collision- and preimage-finding attacks is at most 2n/2, respectively 2n ; when n = 128 (e.g., Advanced Encryption Standard) the resulting bounds have been deemed unacceptable for current practice. As a remedy, multi-block-length primitive-based compression functions, which output more than n bits, have been proposed. This output expansion is typically achieved by calling the primitive multiple times and then combining the resulting primitive outputs in some clever way. In this thesis, we study the collision and preimage resistance of certain types of multi-call multi-block-length primitive-based compression (and the corresponding Merkle-Damgård iterated hash) functions : Our contribution is three-fold. First, we provide a novel framework for blockcipher-based compression functions that compress 3n bits to 2n bits and that use two calls to a 2n-bit key blockcipher with block-length n. We restrict ourselves to two parallel calls and analyze the sufficient conditions to obtain close-to-optimal collision resistance, either in the compression function or in the Merkle-Damgård iteration. Second, we present a new compression function h: {0,1}3n → {0,1}2n ; it uses two parallel calls to an ideal primitive (public random function) from 2n to n bits. This is similar to MDC-2 or the recently proposed MJH by Lee and Stam (CT-RSA'11). However, unlike these constructions, already in the compression function we achieve that an adversary limited (asymptotically in n) to O (22n(1-δ)/3) queries (for any δ > 0) has a disappearing advantage to find collisions. This is the first construction of this type offering collision resistance beyond 2n/2 queries. Our final contribution is the (re)analysis of the preimage and collision resistance of the Knudsen-Preneel compression functions in the setting of public random functions. Knudsen-Preneel compression functions utilize an [r,k,d] linear error-correcting code over 𝔽2e (for e > 1) to build a compression function from underlying blockciphers operating in the Davies-Meyer mode. Knudsen and Preneel show, in the complexity-theoretic setting, that finding collisions takes time at least 2(d-1)n2. Preimage resistance, however, is conjectured to be the square of the collision resistance. Our results show that both the collision resistance proof and the preimage resistance conjecture of Knudsen and Preneel are incorrect : With the exception of two of the proposed parameters, the Knudsen-Preneel compression functions do not achieve the security level they were designed for

Analysis and Design of Blockcipher Based Cryptographic Algorithms

This thesis focuses on the analysis and design of hash functions and authenticated encryption schemes that are blockcipher based. We give an introduction into these fields of research – taking in a blockcipher based point of view – with special emphasis on the topics of double length, double call blockcipher based compression functions. The first main topic (thesis parts I - III) is on analysis and design of hash functions. We start with a collision security analysis of some well known double length blockcipher based compression functions and hash functions: Abreast-DM, Tandem-DM and MDC-4. We also propose new double length compression functions that have elevated collision security guarantees. We complement the collision analysis with a preimage analysis by stating (near) optimal security results for Abreast-DM, Tandem-DM, and Hirose-DM. Also, some generalizations are discussed. These are the first preimage security results for blockcipher based double length hash functions that go beyond the birthday barrier. We then raise the abstraction level and analyze the notion of ’hash function indifferentiability from a random oracle’. So we not anymore focus on how to obtain a good compression function but, instead, on how to obtain a good hash function using (other) cryptographic primitives. In particular we give some examples when this strong notion of hash function security might give questionable advice for building a practical hash function. In the second main topic (thesis part IV), which is on authenticated encryption schemes, we present an on-line authenticated encryption scheme, McOEx, that simultaneously achieves privacy and confidentiality and is secure against nonce-misuse. It is the first dedicated scheme that achieves high standards of security and – at the same time – is on-line computable.Die Schwerpunkte dieser Dissertation sind die Analyse und das Design von blockchiffrenbasierten Hashfunktionen (Abschnitte I-III) sowie die Entwicklung von robusten Verfahren zur authentifizierten erschlüsselung (Abschnitt IV). Die Arbeit beginnt mit einer Einführung in diese Themengebiete, wobei – insbesondere bei den Hashfunktionen – eine blockchiffrenzentrierte Perspektive eingenommen wird. Die Abschnitte I-III dieser Dissertation beschäftigen sich mit der Analyse und dem Design von Hashfunktionen. Zu Beginn werden die Kollisionssicherheit einiger wohlbekannter Kompressions- und Hashfunktionen mit zweifacher Blockchiffrenausgabelänge näher analysiert: Abreast-DM, Tandem-DMundMDC-4. Ebenso werden neue Designs vorgestellt, welche erhöhte Kollisionssicherheitsgarantien haben. Ergänzend zur Kollisionssicherheitsanalyse wird die Resistenz gegen Urbildangriffe von Kompressionsfunktionen doppelter Ausgabelänge untersucht. Dabei werden nahezu optimale Sicherheitsschranken für Abreast-DM, Tandem-DM und Hirose-DM abgeleitet. Einige Verallgemeinerungen sind ebenfalls Teil der Diskussion. Das sind die ersten Sicherheitsresultate gegen Urbildangriffe auf blockchiffrenbasierte Kompressionsfunktionen doppelter Länge, die weit über die bis dahin bekannten Sicherheitsresultate hinausgehen. Daran anschließend folgt eine Betrachtung, die auf einem erhöhten Abstraktionslevel durchgeführt wird und den Begriff der Undifferenzierbarkeit einer Hashfunktion von einem Zufallsorakel diskutiert. Hierbei liegt der Fokus nicht darauf, wie man eine gute Kompressionfunktion auf Basis anderer kryptographischer Funktionen erstellt, sondern auf dem Design einer Hashfunktionen auf Basis einer Kompressionsfunktion. Unter Einnahme eines eher praktischen Standpunktes wird anhand einiger Beispiele aufgezeigt, dass die relativ starke Eigenschaft der Undifferenzierbarkeit einer Hashfunktion zu widersprüchlichen Designempfehlungen für praktikable Hashfunktionen führen kann. Im zweiten Schwerpunkt, in Abschnitt IV, werden Verfahren zur authentifizierten Verschlüsselung behandelt. Es wird ein neues Schema zur authentifizierten Verschlüsselung vorgestellt,McOEx. Es schützt gleichzeitig die Integrität und die Vertrauchlichkeit einer Nachricht. McOEx ist das erste konkrete Schema das sowohl robust gegen die Wiederverwendung von Nonces ist und gleichzeitig on-line berechnet werden kann

Design and Analysis of Cryptographic Algorithms for Authentication

During the previous decades, the upcoming demand for security in the digital world, e.g., the Internet, lead to numerous groundbreaking research topics in the field of cryptography. This thesis focuses on the design and analysis of cryptographic primitives and schemes to be used for authentication of data and communication endpoints, i.e., users. It is structured into three parts, where we present the first freely scalable multi-block-length block-cipher-based compression function (Counter-bDM) in the first part. The presented design is accompanied by a thorough security analysis regarding its preimage and collision security. The second and major part is devoted to password hashing. It is motivated by the large amount of leaked password during the last years and our discovery of side-channel attacks on scrypt – the first modern password scrambler that allowed to parameterize the amount of memory required to compute a password hash. After summarizing which properties we expect from a modern password scrambler, we (1) describe a cache-timing attack on scrypt based on its password-dependent memory-access pattern and (2) outline an additional attack vector – garbage-collector attacks – that exploits optimization which may disregard to overwrite the internally used memory. Based on our observations, we introduce Catena – the first memory-demanding password-scrambling framework that allows a password-independent memory-access pattern for resistance to the aforementioned attacks. Catena was submitted to the Password Hashing Competition (PHC) and, after two years of rigorous analysis, ended up as a finalist gaining special recognition for its agile framework approach and side-channel resistance. We provide six instances of Catena suitable for a variety of applications. We close the second part of this thesis with an overview of modern password scramblers regarding their functional, security, and general properties; supported by a brief analysis of their resistance to garbage-collector attacks. The third part of this thesis is dedicated to the integrity (authenticity of data) of nonce-based authenticated encryption schemes (NAE). We introduce the so-called j-IV-Collision Attack, allowing to obtain an upper bound for an adversary that is provided with a first successful forgery and tries to efficiently compute j additional forgeries for a particular NAE scheme (in short: reforgeability). Additionally, we introduce the corresponding security notion j-INT-CTXT and provide a comparative analysis (regarding j-INT-CTXT security) of the third-round submission to the CAESAR competition and the four classical and widely used NAE schemes CWC, CCM, EAX, and GCM.Die fortschreitende Digitalisierung in den letzten Jahrzehnten hat dazu geführt, dass sich das Forschungsfeld der Kryptographie bedeutsam weiterentwickelt hat. Diese, im Wesentlichen aus drei Teilen bestehende Dissertation, widmet sich dem Design und der Analyse von kryptographischen Primitiven und Modi zur Authentifizierung von Daten und Kommunikationspartnern. Der erste Teil beschäftigt sich dabei mit blockchiffrenbasierten Kompressionsfunktionen, die in ressourcenbeschränkten Anwendungsbereichen eine wichtige Rolle spielen. Im Rahmen dieser Arbeit präsentieren wir die erste frei skalierbare und sichere blockchiffrenbasierte Kompressionsfunktion Counter-bDM und erweitern somit flexibel die erreichbare Sicherheit solcher Konstruktionen. Der zweite Teil und wichtigste Teil dieser Dissertation widmet sich Passwort-Hashing-Verfahren. Zum einen ist dieser motiviert durch die große Anzahl von Angriffen auf Passwortdatenbanken großer Internet-Unternehmen. Zum anderen bot die Password Hashing Competition (PHC) die Möglichkeit, unter Aufmerksamkeit der Expertengemeinschaft die Sicherheit bestehender Verfahren zu hinterfragen, sowie neue sichere Verfahren zu entwerfen. Im Rahmen des zweiten Teils entwarfen wir Anforderungen an moderne Passwort-Hashing-Verfahren und beschreiben drei Arten von Seitenkanal-Angriffen (Cache-Timing-, Weak Garbage-Collector- und Garbage-Collector-Angriffe) auf scrypt – das erste moderne Password-Hashing-Verfahren welches erlaubte, den benötigten Speicheraufwand zur Berechnung eines Passworthashes frei zu wählen. Basierend auf unseren Beobachtungen und Angriffen, stellen wir das erste moderne PasswordHashing-Framework Catena vor, welches für gewählte Instanzen passwortunabhängige Speicherzugriffe und somit Sicherheit gegen oben genannte Angriffe garantiert. Catena erlangte im Rahmen des PHC-Wettbewerbs besondere Anerkennung für seine Agilität und Resistenz gegen SeitenkanalAngriffe. Wir präsentieren sechs Instanzen des Frameworks, welche für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet sind. Abgerundet wird der zweite Teil dieser Arbeit mit einem vergleichenden Überblick von modernen Passwort-Hashing-Verfahren hinsichtlich ihrer funktionalen, sicherheitstechnischen und allgemeinen Eigenschaften. Dieser Vergleich wird unterstützt durch eine kurze Analyse bezüglich ihrer Resistenz gegen (Weak) Garbage-Collector-Angriffe. Der dritte teil dieser Arbeit widmet sich der Integrität von Daten, genauer, der Sicherheit sogenannter Nonce-basierten authentisierten Verschlüsselungsverfahren (NAE-Verfahren), welche ebenso wie Passwort-Hashing-Verfahren in der heutigen Sicherheitsinfrastruktur des Internets eine wichtige Rolle spielen. Während Standard-Definitionen keine Sicherheit nach dem Fund einer ersten erfolgreich gefälschten Nachricht betrachten, erweitern wir die Sicherheitsanforderungen dahingehend wie schwer es ist, weitere Fälschungen zu ermitteln. Wir abstrahieren die Funktionsweise von NAEVerfahren in Klassen, analysieren diese systematisch und klassifizieren die Dritt-Runden-Kandidaten des CAESAR-Wettbewerbs, sowie vier weit verbreitete NAE-Verfahren CWC, CCM, EAX und GCM