Dynamic block encryption with self-authenticating key exchange

One of the greatest challenges facing cryptographers is the mechanism used for key exchange. When secret data is transmitted, the chances are that there may be an attacker who will try to intercept and decrypt the message. Having done so, he/she might just gain advantage over the information obtained, or attempt to tamper with the message, and thus, misguiding the recipient. Both cases are equally fatal and may cause great harm as a consequence. In cryptography, there are two commonly used methods of exchanging secret keys between parties. In the first method, symmetric cryptography, the key is sent in advance, over some secure channel, which only the intended recipient can read. The second method of key sharing is by using a public key exchange method, where each party has a private and public key, a public key is shared and a private key is kept locally. In both cases, keys are exchanged between two parties. In this thesis, we propose a method whereby the risk of exchanging keys is minimised. The key is embedded in the encrypted text using a process that we call `chirp coding', and recovered by the recipient using a process that is based on correlation. The `chirp coding parameters' are exchanged between users by employing a USB flash memory retained by each user. If the keys are compromised they are still not usable because an attacker can only have access to part of the key. Alternatively, the software can be configured to operate in a one time parameter mode, in this mode, the parameters are agreed upon in advance. There is no parameter exchange during file transmission, except, of course, the key embedded in ciphertext. The thesis also introduces a method of encryption which utilises dynamic blocks, where the block size is different for each block. Prime numbers are used to drive two random number generators: a Linear Congruential Generator (LCG) which takes in the seed and initialises the system and a Blum-Blum Shum (BBS) generator which is used to generate random streams to encrypt messages, images or video clips for example. In each case, the key created is text dependent and therefore will change as each message is sent. The scheme presented in this research is composed of five basic modules. The first module is the key generation module, where the key to be generated is message dependent. The second module, encryption module, performs data encryption. The third module, key exchange module, embeds the key into the encrypted text. Once this is done, the message is transmitted and the recipient uses the key extraction module to retrieve the key and finally the decryption module is executed to decrypt the message and authenticate it. In addition, the message may be compressed before encryption and decompressed by the recipient after decryption using standard compression tools

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 /

SAFE-NET: Secure and Fast Encryption using Network of Pseudo-Random Number Generators

We propose a general framework to design a general class of random number generators suit- able for both computer simulation and computer security applications. It can include newly pro- posed generators SAFE (Secure And Fast Encryption) and ChaCha, a variant of Salsa, one of the four finalists of the eSTREAM ciphers. Two requirements for ciphers to be considered se- cure is that they must be unpredictable with a nice distributional property. Proposed SAFE-NET is a network of n nodes with external pseudo-random number generators as inputs nodes, several inner layers of nodes with a sequence of random variates through ARX (Addition, Rotation, XOR) transformations to diffuse the components of the initial state vector. After several rounds of transformations (with complex inner connections) are done, the output layer with n nodes are outputted via additional transformations. By utilizing random number generators with desirable empirical properties, SAFE-NET injects randomness into the keystream generation process and constantly updates the cipher’s state with external pseudo-random numbers during each iteration. Through the integration of shuffle tables and advanced output functions, extra layers of security are provided, making it harder for attackers to exploit weaknesses in the cipher. Empirical results demonstrate that SAFE-NET requires fewer operations than ChaCha while still producing a sequence of uniformly distributed random numbers

Fast Correlation Attacks on Grain-like Small State Stream Ciphers

In this paper, we study the security of Grain-like small state stream ciphers by fast correlation attacks, which are commonly regarded as classical cryptanalytic methods against LFSR-based stream ciphers. We extend the cascaded structure adopted in such primitives in general and show how to restore the full internal state part-by-part if the non-linear combining function meets some characteristic. As a case study, we present a key recovery attack against Fruit, a tweaked version of Sprout that employs key-dependent state updating in the keystream generation phase. Our attack requires 262.8 Fruit encryptions and 222.3 keystream bits to determine the 80-bit secret key. Practical simulations on a small-scale version confirmed our results

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

Multi-algorithmic Cryptography using Deterministic Chaos with Applications to Mobile Communications

In this extended paper, we present an overview of the principal issues associated with cryptography, providing historically significant examples for illustrative purposes as part of a short tutorial for readers that are not familiar with the subject matter. This is used to introduce the role that nonlinear dynamics and chaos play in the design of encryption engines which utilize different types of Iteration Function Systems (IFS). The design of such encryption engines requires that they conform to the principles associated with diffusion and confusion for generating ciphers that are of a maximum entropy type. For this reason, the role of confusion and diffusion in cryptography is discussed giving a design guide to the construction of ciphers that are based on the use of IFS. We then present the background and operating framework associated with a new product - CrypsticTM - which is based on the application of multi-algorithmic IFS to design encryption engines mounted on a USB memory stick using both disinformation and obfuscation to ‘hide’ a forensically inert application. The protocols and procedures associated with the use of this product are also briefly discussed

The Quasigroup Block Cipher and its Analysis

This thesis discusses the Quasigroup Block Cipher (QGBC) and its analysis. We first present the basic form of the QGBC and then follow with improvements in memory consumption and security. As a means of analyzing the system, we utilize tools such as the NIST Statistical Test Suite, auto and crosscorrelation, then linear and algebraic cryptanalysis. Finally, as we review the results of these analyses, we propose improvements and suggest an algorithm suitable for low-cost FPGA implementation