Extension Field Cancellation: a New Central Trapdoor for Multivariate Quadratic Systems

This paper introduces a new central trapdoor for multivariate quadratic (MQ) public-key cryptosystems that allows for encryption, in contrast to time-tested MQ primitives such as Unbalanced Oil and Vinegar or Hidden Field Equations which only allow for signatures. Our construction is a mixed-field scheme that exploits the commutativity of the extension field to dramatically reduce the complexity of the extension field polynomial implicitly present in the public key. However, this reduction can only be performed by the user who knows concise descriptions of two simple polynomials, which constitute the private key. After applying this transformation, the plaintext can be recovered by solving a linear system. We use the minus and projection modifiers to inoculate our scheme against known attacks. A straightforward C++ implementation confirms the efficient operation of the public key algorithms

Developments in multivariate post quantum cryptography.

Ever since Shor\u27s algorithm was introduced in 1994, cryptographers have been working to develop cryptosystems that can resist known quantum computer attacks. This push for quantum attack resistant schemes is known as post quantum cryptography. Specifically, my contributions to post quantum cryptography has been to the family of schemes known as Multivariate Public Key Cryptography (MPKC), which is a very attractive candidate for digital signature standardization in the post quantum collective for a wide variety of applications. In this document I will be providing all necessary background to fully understand MPKC and post quantum cryptography as a whole. Then, I will walk through the contributions I provided in my publications relating to differential security proofs for HFEv and HFEv−, key recovery attack for all parameters of HFEm, and my newly proposed multivariate encryption scheme, HFERP

Improvements and New Constructions of Digital Signatures

Ein digitales Signaturverfahren, oft auch nur digitale Signatur genannt, ist ein wichtiger und nicht mehr wegzudenkender Baustein in der Kryptographie. Es stellt das digitale Äquivalent zur klassischen handschriftlichen Signatur dar und liefert darüber hinaus noch weitere wünschenswerte Eigenschaften. Mit solch einem Verfahren kann man einen öffentlichen und einen geheimen Schlüssel erzeugen. Der geheime Schlüssel dient zur Erstellung von Signaturen zu beliebigen Nachrichten. Diese können mit Hilfe des öffentlichen Schlüssels von jedem überprüft und somit verifiziert werden. Desweiteren fordert man, dass das Verfahren "sicher" sein soll. Dazu gibt es in der Literatur viele verschiedene Begriffe und Definitionen, je nachdem welche konkreten Vorstellungen beziehungsweise Anwendungsgebiete man hat. Vereinfacht gesagt, sollte es für einen Angreifer ohne Kenntnis des geheimen Schlüssels nicht möglich sein eine gültige Signatur zu einer beliebigen Nachricht zu fälschen. Ein sicheres Signaturverfahren kann somit verwendet werden um die folgenden Ziele zu realisieren: - Authentizität: Jeder Empfänger kann überprüfen, ob die Nachricht von einem bestimmten Absender kommt. - Integrität der Nachricht: Jeder Empfänger kann feststellen, ob die Nachricht bei der Übertragung verändert wurde. - Nicht-Abstreitbarkeit: Der Absender kann nicht abstreiten die Signatur erstellt zu haben. Damit ist der Einsatz von digitalen Signaturen für viele Anwendungen in der Praxis sehr wichtig. Überall da, wo es wichtig ist die Authentizität und Integrität einer Nachricht sicherzustellen, wie beim elektronischen Zahlungsverkehr, Softwareupdates oder digitalen Zertifikaten im Internet, kommen digitale Signaturen zum Einsatz. Aber auch für die kryptographische Theorie sind digitale Signaturen ein unverzichtbares Hilfsmittel. Sie ermöglichen zum Beispiel die Konstruktion von stark sicheren Verschlüsselungsverfahren. Eigener Beitrag: Wie bereits erwähnt gibt es unterschiedliche Sicherheitsbegriffe im Rahmen von digitalen Signaturen. Ein Standardbegriff von Sicherheit, der eine recht starke Form von Sicherheit beschreibt, wird in dieser Arbeit näher betrachtet. Die Konstruktion von Verfahren, die diese Form der Sicherheit erfüllen, ist ein vielschichtiges Forschungsthema. Dazu existieren unterschiedliche Strategien in unterschiedlichen Modellen. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns daher auf folgende Punkte. - Ausgehend von vergleichsweise realistischen Annahmen konstruieren wir ein stark sicheres Signaturverfahren im sogenannten Standardmodell, welches das realistischste Modell für Sicherheitsbeweise darstellt. Unser Verfahren ist das bis dahin effizienteste Verfahren in seiner Kategorie. Es erstellt sehr kurze Signaturen und verwendet kurze Schlüssel, beides unverzichtbar für die Praxis. - Wir verbessern die Qualität eines Sicherheitsbeweises von einem verwandten Baustein, der identitätsbasierten Verschlüsselung. Dies hat unter anderem Auswirkung auf dessen Effizienz bezüglich der empfohlenen Schlüssellängen für den sicheren Einsatz in der Praxis. Da jedes identitätsbasierte Verschlüsselungsverfahren generisch in ein digitales Signaturverfahren umgewandelt werden kann ist dies auch im Kontext digitaler Signaturen interessant. - Wir betrachten Varianten von digitalen Signaturen mit zusätzlichen Eigenschaften, sogenannte aggregierbare Signaturverfahren. Diese ermöglichen es mehrere Signaturen effizient zu einer zusammenzufassen und dabei trotzdem alle zugehörigen verschiedenen Nachrichten zu verifizieren. Wir geben eine neue Konstruktion von solch einem aggregierbaren Signaturverfahren an, bei der das Verfahren eine Liste aller korrekt signierten Nachrichten in einer aggregierten Signatur ausgibt anstatt, wie bisher üblich, nur gültig oder ungültig. Wenn eine aggregierte Signatur aus vielen Einzelsignaturen besteht wird somit das erneute Berechnen und eventuell erneute Senden hinfällig und dadurch der Aufwand erheblich reduziert

Vers une arithmétique efficace pour le chiffrement homomorphe basé sur le Ring-LWE

Fully homomorphic encryption is a kind of encryption offering the ability to manipulate encrypted data directly through their ciphertexts. In this way it is possible to process sensitive data without having to decrypt them beforehand, ensuring therefore the datas' confidentiality. At the numeric and cloud computing era this kind of encryption has the potential to considerably enhance privacy protection. However, because of its recent discovery by Gentry in 2009, we do not have enough hindsight about it yet. Therefore several uncertainties remain, in particular concerning its security and efficiency in practice, and should be clarified before an eventual widespread use. This thesis deals with this issue and focus on performance enhancement of this kind of encryption in practice. In this perspective we have been interested in the optimization of the arithmetic used by these schemes, either the arithmetic underlying the Ring Learning With Errors problem on which the security of these schemes is based on, or the arithmetic specific to the computations required by the procedures of some of these schemes. We have also considered the optimization of the computations required by some specific applications of homomorphic encryption, and in particular for the classification of private data, and we propose methods and innovative technics in order to perform these computations efficiently. We illustrate the efficiency of our different methods through different software implementations and comparisons to the related art.Le chiffrement totalement homomorphe est un type de chiffrement qui permet de manipuler directement des données chiffrées. De cette manière, il est possible de traiter des données sensibles sans avoir à les déchiffrer au préalable, permettant ainsi de préserver la confidentialité des données traitées. À l'époque du numérique à outrance et du "cloud computing" ce genre de chiffrement a le potentiel pour impacter considérablement la protection de la vie privée. Cependant, du fait de sa découverte récente par Gentry en 2009, nous manquons encore de recul à son propos. C'est pourquoi de nombreuses incertitudes demeurent, notamment concernant sa sécurité et son efficacité en pratique, et devront être éclaircies avant une éventuelle utilisation à large échelle.Cette thèse s'inscrit dans cette problématique et se concentre sur l'amélioration des performances de ce genre de chiffrement en pratique. Pour cela nous nous sommes intéressés à l'optimisation de l'arithmétique utilisée par ces schémas, qu'elle soit sous-jacente au problème du "Ring-Learning With Errors" sur lequel la sécurité des schémas considérés est basée, ou bien spécifique aux procédures de calculs requises par certains de ces schémas. Nous considérons également l'optimisation des calculs nécessaires à certaines applications possibles du chiffrement homomorphe, et en particulier la classification de données privées, de sorte à proposer des techniques de calculs innovantes ainsi que des méthodes pour effectuer ces calculs de manière efficace. L'efficacité de nos différentes méthodes est illustrée à travers des implémentations logicielles et des comparaisons aux techniques de l'état de l'art

Combinatorial Rank Attacks Against the Rectangular Simple Matrix Encryption Scheme

In 2013, Tao et al. introduced the ABC Simple Matrix Encryption Scheme, a multivariate public key encryption scheme. The scheme boasts great efficiency in encryption and decryption, though it suffers from very large public keys. It was quickly noted that the original proposal, utilizing square matrices, suffered from a very bad decryption failure rate. As a consequence, the designers later published updated parameters, replacing the square matrices with rectangular matrices and altering other parameters to avoid the cryptanalysis of the original scheme presented in 2014 by Moody et al. In this work, we show that making the matrices rectangular, while decreasing the decryption failure rate, actually, and ironically, diminishes security. We show that the combinatorial rank methods employed in the original attack of Moody et al. can be enhanced by the same added degrees of freedom that reduce the decryption failure rate. Moreover, and quite interestingly, if the decryption failure rate is still reasonably high, as exhibited by the proposed parameters, we are able to mount a reaction attack to further enhance the combinatorial rank methods. To our knowledge this is the first instance of a reaction attack creating a significant advantage in this context

Security Infrastructure Technology for Integrated Utilization of Big Data

This open access book describes the technologies needed to construct a secure big data infrastructure that connects data owners, analytical institutions, and user institutions in a circle of trust. It begins by discussing the most relevant technical issues involved in creating safe and privacy-preserving big data distribution platforms, and especially focuses on cryptographic primitives and privacy-preserving techniques, which are essential prerequisites. The book also covers elliptic curve cryptosystems, which offer compact public key cryptosystems; and LWE-based cryptosystems, which are a type of post-quantum cryptosystem. Since big data distribution platforms require appropriate data handling, the book also describes a privacy-preserving data integration protocol and privacy-preserving classification protocol for secure computation. Furthermore, it introduces an anonymization technique and privacy risk evaluation technique. This book also describes the latest related findings in both the living safety and medical fields. In the living safety field, to prevent injuries occurring in everyday life, it is necessary to analyze injury data, find problems, and implement suitable measures. But most cases don’t include enough information for injury prevention because the necessary data is spread across multiple organizations, and data integration is difficult from a security standpoint. This book introduces a system for solving this problem by applying a method for integrating distributed data securely and introduces applications concerning childhood injury at home and school injury. In the medical field, privacy protection and patient consent management are crucial for all research. The book describes a medical test bed for the secure collection and analysis of electronic medical records distributed among various medical institutions. The system promotes big-data analysis of medical data with a cloud infrastructure and includes various security measures developed in our project to avoid privacy violations