Cryptanalysis of the Authenticated Encryption Algorithm COFFE

COFFE is a hash-based authenticated encryption scheme. In the original paper, it was claimed to have IND-CPA security and also ciphertext integrity even in nonce-misuse scenario. In this paper, we analyse the security of COFFE. Our attack shows that even under the assumption that the primitive hash function is ideal, a valid ciphertext can be forged with 2 enquiries with success probability close to 1. The motivation of the attack is to find a collision on the input of each of the hash calls in the COFFE instantiation. It can be done in two ways. The first way is by modifying nonce and last message block size. Chosen appropriately, we can ensure two COFFE instantiations with different nonce and different last message block size can have exactly the same intermediate state value. This hence leads to a valid ciphertext to be generated. Another way is by considering two different COFFE instantiations with different message block size despite same key. In this case, we will use the existence of consecutive zero in the binary representation the initial value to achieve identical intermediate state value on two different COFFE instantiations. Having the state collisions, the forgery attack is then conducted by choosing two different plaintexts with appropriate nonce and tag size to query. Having this fact, without knowing the secret key, we can then validly encrypt another plaintext with probability equal to 1

Analysis Design & Applications of Cryptographic Building Blocks

This thesis deals with the basic design and rigorous analysis of cryptographic schemes and primitives, especially of authenticated encryption schemes, hash functions, and password-hashing schemes. In the last decade, security issues such as the PS3 jailbreak demonstrate that common security notions are rather restrictive, and it seems that they do not model the real world adequately. As a result, in the first part of this work, we introduce a less restrictive security model that is closer to reality. In this model it turned out that existing (on-line) authenticated encryption schemes cannot longer beconsidered secure, i.e. they can guarantee neither data privacy nor data integrity. Therefore, we present two novel authenticated encryption scheme, namely COFFE and McOE, which are not only secure in the standard model but also reasonably secure in our generalized security model, i.e. both preserve full data inegrity. In addition, McOE preserves a resonable level of data privacy. The second part of this thesis starts with proposing the hash function Twister-Pi, a revised version of the accepted SHA-3 candidate Twister. We not only fixed all known security issues of Twister, but also increased the overall soundness of our hash-function design. Furthermore, we present some fundamental groundwork in the area of password-hashing schemes. This research was mainly inspired by the medial omnipresence of password-leakage incidences. We show that the password-hashing scheme scrypt is vulnerable against cache-timing attacks due to the existence of a password-dependent memory-access pattern. Finally, we introduce Catena the first password-hashing scheme that is both memory-consuming and resistant against cache-timing attacks

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

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

Protocolo de actuación en peritaciones informáticas

Los peritos judiciales informáticos son profesionales con amplia formación universitaria y una cuidada especialización que tienen como objeto y finalidad el asesoramiento de jueces, fiscales, abogados o particulares para la recogida, tratamiento y estudio de evidencias digitales. Estos se encargan de recabar toda la información que se encuentre disponible en cualquier elemento dispositivo electrónico que tenga interés judicial o empresarial. Deben de ser capaces de resolver los problemas que requieran jueces o empresas para la utilización de esa información. La información será utilizada para la realización de informes periciales. El objetivo principal del Proyecto Fin de Carrera será la redacción de un Protocolo de actuación para la peritación forense informática. Para ello se realizará un estudio detallado de la situación actual de los sistemas de peritación actuales, exponiendo como se realizan los informes periciales llevados a cabo por expertos peritos que realizan en la actualidad peritaciones civiles y peritaciones en la administración. Identificaremos y definiremos los aspectos más significativos de la figura de la peritación informática para dar respuesta a todos los campos de estudio a los que los Peritos Tecnológicos Informáticos Forenses se tienen que enfrentar en el desarrollo de sus funciones. Todos estos apartados se generan a través del estudio cuidadoso de la legislación para el desarrollo de la peritación, de su normativa aplicable, con especial interés en la jurisprudencia existente que surge como respuesta a las múltiples actuaciones judiciales en el ámbito del estudio de la evidencia digital. Para posteriormente centrarnos en la realización de la peritación en sí; enumerando y describiendo sus partes, las peculiaridades de las peritaciones informáticas, así como sus novedades legislativas, debido a su nueva incorporación a la terminología jurídica. Ilustraremos la adaptación de la legislación a las nuevas tecnologías mediante la jurisprudencia generada y posterior legislación que producirá la aplicación de estas actuaciones judiciales. Desarrollando un estudio pormenorizado de la preparación de la pericia informática, su presentación, análisis y la defensa de nuestro trabajo ante sus requirentes. Para eso nos serviremos de numerosos ejemplos, definiciones de la terminología comúnmente utilizada y de las herramientas actuales, de este mundo tecnológico que se mueve a una velocidad vertiginosa, en la que tenemos que estar continuamente actualizados. En definitiva, estamos ante la guía de actuación para la peritación y el análisis de cualquier dispositivo electrónico que sea capaz de almacenar o hacer fluir información. Ya que la información es poder, y estamos en la era de la gestión de la información.The qualified judicial I.T. technicians are experts with a wide universitary formation and a careful specialization, which main purpose is to assess judges, public prosecutors, lawyers and individuals for the evidence collection, their treatment and their case study. They are in charge of collecting all the available information in any digital device, element or physical device which could be judicially or corporatively pertinent. They must be able to solve all the matters required by judges or companies for the treatment of the mentioned information. This information will be used to elaborate expert reports. Their main objective will be to write up an intervention protocol for the forensic I.T. punditry. For this, a detailed study should be done about the current punditry systems, moreover a procedure about how this process was done by the beforehand mentioned experts who are in charge of that civil and public punditries at the moment. We will identify and define the most significant aspects about the I.T. punditry figure to give an answer to all the fields which forensic technical I.T. experts have to face up during the technical performance. We should study carefully all the legislation in the technical performance process, the applicable legislation with extra care about the jurisprudence which is the answer to the digital multiple judicial acts in the evidence field. Afterwards, we should focus on the punditry per se; enumerating and describing its parts, the I.T. punditry peculiarities, as well as the judicial novelties in order to their addition to the judicial terminology. This will show the legislation adaptation to these judicial acts. We will develop a detailed study about the preparation for the I.T. punditry performance, its presentation, analysis, and defense about our work to our inquirer. For that, we will use multiple examples, definitions from the common terminology and current tools, coexisting in this technological word, which is spinning at a vertiginous speed to update them continuously. In conclusion, we are facing the definitive punditry performance guide, owing to the power of the information nowadays and also because we are in the information managemen