Neural network-based double encrption for JPEG2000 images

The JPEG2000 is the more efficient next generation coding standard than the current JPEG standard.It can code files witless visual loss, and the file format is less likely to be affected by system file or bit errors.On the encryption side, the current 128-bit image encryption schemes are reported to be vulnerable to brute force. So there is a need for stronger schemes that not only utilize the efficient coding structure of the JPEG2000, but also apply stronger encryption with better key management.This research investigated a two-layer 256-bit encryption technique proposed for the JPEG2000 compatible images.In the first step, the technique used a multilayer neural network with a 128-bit key to generate single layer encrypted sequences. The second step used a cellular neural network with a different 128-bit key to finally generate a two-layer encrypted image. The projected advantages were compatible with the JPEG2000, 256-bit long key, managing each 128-bit key at separate physical locations, and flexible to opt for a single or a two-layer encryption. In order to test the proposed encryption technique for robustness, randomness tests on random sequences, correlation and histogram tests on encrypted images were conducted.The results show that random sequences pass the NIST statistical tests and the 0/1 balancedness test; the bit sequences are decorrelated, and the histogram of the resulting encrypted images is fairly uniform with the statistical properties of those of the white noise

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 /

Algorithmes quantiques pour la cryptanalyse et cryptographie symétrique post-quantique

Modern cryptography relies on the notion of computational security. The level of security given by a cryptosystem is expressed as an amount of computational resources required to break it. The goal of cryptanalysis is to find attacks, that is, algorithms with lower complexities than the conjectural bounds.With the advent of quantum computing devices, these levels of security have to be updated to take a whole new notion of algorithms into account. At the same time, cryptography is becoming widely used in small devices (smart cards, sensors), with new cost constraints.In this thesis, we study the security of secret-key cryptosystems against quantum adversaries.We first build new quantum algorithms for k-list (k-XOR or k-SUM) problems, by composing exhaustive search procedures. Next, we present dedicated cryptanalysis results, starting with a new quantum cryptanalysis tool, the offline Simon's algorithm. We describe new attacks against the lightweight algorithms Spook and Gimli and we perform the first quantum security analysis of the standard cipher AES.Finally, we specify Saturnin, a family of lightweight cryptosystems oriented towards post-quantum security. Thanks to a very similar structure, its security relies largely on the analysis of AES.La cryptographie moderne est fondée sur la notion de sécurité computationnelle. Les niveaux de sécurité attendus des cryptosystèmes sont exprimés en nombre d'opérations ; une attaque est un algorithme d'une complexité inférieure à la borne attendue. Mais ces niveaux de sécurité doivent aujourd'hui prendre en compte une nouvelle notion d'algorithme : le paradigme du calcul quantique. Dans le même temps,la délégation grandissante du chiffrement à des puces RFID, objets connectés ou matériels embarqués pose de nouvelles contraintes de coût.Dans cette thèse, nous étudions la sécurité des cryptosystèmes à clé secrète face à un adversaire quantique.Nous introduisons tout d'abord de nouveaux algorithmes quantiques pour les problèmes génériques de k-listes (k-XOR ou k-SUM), construits en composant des procédures de recherche exhaustive.Nous présentons ensuite des résultats de cryptanalyse dédiée, en commençant par un nouvel outil de cryptanalyse quantique, l'algorithme de Simon hors-ligne. Nous décrivons de nouvelles attaques contre les algorithmes Spook et Gimli et nous effectuons la première étude de sécurité quantique du chiffrement AES. Dans un troisième temps, nous spécifions Saturnin, une famille de cryptosystèmes à bas coût orientés vers la sécurité post-quantique. La structure de Saturnin est proche de celle de l'AES et sa sécurité en tire largement parti

Selected Topics in Cryptanalysis of Symmetric Ciphers

It is well established that a symmetric cipher may be described as a system of Boolean polynomials, and that the security of the cipher cannot be better than the difficulty of solving said system. Compressed Right-Hand Side (CRHS) Equations is but one way of describing a symmetric cipher in terms of Boolean polynomials. The first paper of this thesis provides a comprehensive treatment firstly of the relationship between Boolean functions in algebraic normal form, Binary Decision Diagrams and CRHS equations. Secondly, of how CRHS equations may be used to describe certain kinds of symmetric ciphers and how this model may be used to attempt a key-recovery attack. This technique is not left as a theoretical exercise, as the process have been implemented as an open-source project named CryptaPath. To ensure accessibility for researchers unfamiliar with algebraic cryptanalysis, CryptaPath can convert a reference implementation of the target cipher, as specified by a Rust trait, into the CRHS equations model automatically. CRHS equations are not limited to key-recovery attacks, and Paper II explores one such avenue of CRHS equations flexibility. Linear and differential cryptanalysis have long since established their position as two of the most important cryptanalytical attacks, and every new design since must show resistance to both. For some ciphers, like the AES, this resistance can be mathematically proven, but many others are left to heuristic arguments and computer aided proofs. This work is tedious, and most of the tools require good background knowledge of a tool/technique to transform a design to the right input format, with a notable exception in CryptaGraph. CryptaGraph is written in Rust and transforms a reference implementation into CryptaGraphs underlying data structure automatically. Paper II introduces a new way to use CRHS equations to model a symmetric cipher, this time in such a way that linear and differential trail searches are possible. In addition, a new set of operations allowing us to count the number of active S-boxes in a path is presented. Due to CRHS equations effective initial data compression, all possible trails are captured in the initial system description. As is the case with CRHS equations, the crux is the memory consumption. However, this approach also enables the graph of a CRHS equation to be pruned, allowing the memory consumption to be kept at manageable levels. Unfortunately, pruning nodes also means that we will lose valid, incomplete paths, meaning that the hulls found are probably incomplete. On the flip side, all paths, and their corresponding probabilities, found by the tool are guaranteed to be valid trails for the cipher. This theory is also implemented in an extension of CryptaPath, and the name is PathFinder. PathFinder is also able to automatically turn a reference implementation of a cipher into its CRHS equations-based model. As an additional bonus, PathFinder supports the reference implementation specifications specified by CryptaGraph, meaning that the same reference implementation can be used for both CryptaGraph and PathFinder. Paper III shifts focus onto symmetric ciphers designed to be used in conjunction with FHE schemes. Symmetric ciphers designed for this purpose are relatively new and have naturally had a strong focus on reducing the number of multiplications performed. A multiplication is considered expensive on the noise budget of the FHE scheme, while linear operations are viewed as cheap. These ciphers are all assuming that it is possible to find parameters in the various FHE schemes which allow these ciphers to work well in symbiosis with the FHE scheme. Unfortunately, this is not always possible, with the consequence that the decryption process becomes more costly than necessary. Paper III therefore proposes Fasta, a stream cipher which has its parameters and linear layer especially chosen to allow efficient implementation over the BGV scheme, particularly as implemented in the HElib library. The linear layers are drawn from a family of rotation-based linear transformations, as cyclic rotations are cheap to do in FHE schemes that allow packing of multiple plaintext elements in one FHE ciphertext. Fasta follows the same design philosophy as Rasta, and will never use the same linear layer twice under the same key. The result is a stream cipher tailor-made for fast evaluation in HElib. Fasta shows an improvement in throughput of a factor more than 7 when compared to the most efficient implementation of Rasta.Doktorgradsavhandlin

Hidden Shift Quantum Cryptanalysis and Implications

International audienceAt Eurocrypt 2017 a tweak to counter Simon's quantum attack was proposed: replace the common bitwise addition, with other operations, as a modular addition. The starting point of our paper is a follow up of these previous results: First, we have developed new algorithms that improve and generalize Kuperberg's algorithm for the hidden shift problem, which is the algorithm that applies instead of Simon when considering modular additions. Thanks to our improved algorithm, we have been able to build a quantum attack in the superposition model on Poly1305, proposed at FSE 2005, largely used and claimed to be quantumly secure. We also answer an open problem by analyzing the effect of the tweak to the FX construction. We have also generalized the algorithm. We propose for the first time a quantum algorithm for solving the problem with parallel modular additions , with a complexity that matches both Simon and Kuperberg in its extremes. We also propose a generic algorithm to solve the hidden shift problem in non-abelian groups. In order to verify the theoretical analysis we performed, and to get concrete estimates of the cost of the algorithms, we have simulated them, and were able to validate our estimated complexities. Finally, we analyze the security of some classical symmetric constructions with concrete parameters, to evaluate the impact and practicality of the proposed tweak, concluding that it does not seem to be efficient

Side Channel Cube Attacks on Block Ciphers

In this paper we formalize the notion of {\it leakage attacks} on iterated block ciphers, in which the attacker can find (via physical probing, power measurement, or any other type of side channel) one bit of information about the intermediate state of the encryption after each round. Since bits computed during the early rounds can be typically represented by low degree multivariate polynomials, cube attacks seem to be an ideal generic key recovery technique in these situations. However, the original cube attack requires extremely clean data, whereas the information provided by side channel attacks can be quite noisy. To address this problem, we develop a new variant of cube attack which can tolerate considerable levels of noise (affecting more than 11\% of the leaked bits in practical scenarios). Finally, we demonstrate our approach by describing efficient leakage attacks on two of the best known block ciphers, AES (requiring about $2^{35}$ time for full key recovery) and SERPENT (requiring about $2^{18}$ time for full key recovery)