On the Multiple Fault Attack on RSA Signatures with LSBs of Messages Unknown

In CHES 2009, Coron, Joux, Kizhvatov, Naccache and Paillier(CJKNP) introduced a fault attack on RSA signatures with partially unknown messages. They factored RSA modulus $N$ using a single faulty signature and increased the bound of unknown messages by multiple fault attack, however, the complexity multiple fault attack is exponential in the number of faulty signatures. At RSA 2010, it was improved which run in polynomial time in number of faults. Both previous multiple fault attacks deal with the general case that the unknown part of message is in the middle. This paper handles a special situation that some least significant bits of messages are unknown. First, we describe a sample attack by utilizing the technique of solving simultaneous diophantine approximation problem, and the bound of unknown message is $N^{\frac1{2}-\frac1{2\ell}}$ where $\ell$ is the number of faulty signatures. Our attacks are heuristic but very efficient in practice. Furthermore, the new bound can be extended up to $N^{\frac1{2}^{1+\frac1{\ell}}}$ by the Cohn-Heninger technique. Comparison between previous attacks and new attacks with LSBs of message unknown will be given by simulation test

Solving Linear Equations Modulo Unknown Divisors: Revisited

We revisit the problem of finding small solutions to a collection of linear equations modulo an unknown divisor $p$ for a known composite integer $N$. In CaLC 2001, Howgrave-Graham introduced an efficient algorithm for solving univariate linear equations; since then, two forms of multivariate generalizations have been considered in the context of cryptanalysis: modular multivariate linear equations by Herrmann and May (Asiacrypt\u2708) and simultaneous modular univariate linear equations by Cohn and Heninger (ANTS\u2712). Their algorithms have many important applications in cryptanalysis, such as factoring with known bits problem, fault attacks on RSA signatures, analysis of approximate GCD problem, etc. In this paper, by introducing multiple parameters, we propose several generalizations of the above equations. The motivation behind these extensions is that some attacks on RSA variants can be reduced to solving these generalized equations, and previous algorithms do not apply. We present new approaches to solve them, and compared with previous methods, our new algorithms are more flexible and especially suitable for some cases. Applying our algorithms, we obtain the best analytical/experimental results for some attacks on RSA and its variants, specifically, \begin{itemize} \item We improve May\u27s results (PKC\u2704) on small secret exponent attack on RSA variant with moduli $N = p^rq$ ($r\geq 2$). \item We experimentally improve Boneh et al.\u27s algorithm (Crypto\u2798) on factoring $N=p^rq$ ($r\geq 2$) with known bits problem. \item We significantly improve Jochemsz-May\u27 attack (Asiacrypt\u2706) on Common Prime RSA. \item We extend Nitaj\u27s result (Africacrypt\u2712) on weak encryption exponents of RSA and CRT-RSA. \end{itemize

Passive SSH Key Compromise via Lattices

We demonstrate that a passive network attacker can opportunistically obtain private RSA host keys from an SSH server that experiences a naturally arising fault during signature computation. In prior work, this was not believed to be possible for the SSH protocol because the signature included information like the shared Diffie-Hellman secret that would not be available to a passive network observer. We show that for the signature parameters commonly in use for SSH, there is an efficient lattice attack to recover the private key in case of a signature fault. We provide a security analysis of the SSH, IKEv1, and IKEv2 protocols in this scenario, and use our attack to discover hundreds of compromised keys in the wild from several independently vulnerable implementations

Side-Channel Analysis and Cryptography Engineering : Getting OpenSSL Closer to Constant-Time

As side-channel attacks reached general purpose PCs and started to be more practical for attackers to exploit, OpenSSL adopted in 2005 a flagging mechanism to protect against SCA. The opt-in mechanism allows to flag secret values, such as keys, with the BN_FLG_CONSTTIME flag. Whenever a flag is checked and detected, the library changes its execution flow to SCA-secure functions that are slower but safer, protecting these secret values from being leaked. This mechanism favors performance over security, it is error-prone, and is obscure for most library developers, increasing the potential for side-channel vulnerabilities. This dissertation presents an extensive side-channel analysis of OpenSSL and criticizes its fragile flagging mechanism. This analysis reveals several flaws affecting the library resulting in multiple side-channel attacks, improved cache-timing attack techniques, and a new side channel vector. The first part of this dissertation introduces the main topic and the necessary related work, including the microarchitecture, the cache hierarchy, and attack techniques; then it presents a brief troubled history of side-channel attacks and defenses in OpenSSL, setting the stage for the related publications. This dissertation includes seven original publications contributing to the area of side-channel analysis, microarchitecture timing attacks, and applied cryptography. From an SCA perspective, the results identify several vulnerabilities and flaws enabling protocol-level attacks on RSA, DSA, and ECDSA, in addition to full SCA of the SM2 cryptosystem. With respect to microarchitecture timing attacks, the dissertation presents a new side-channel vector due to port contention in the CPU execution units. And finally, on the applied cryptography front, OpenSSL now enjoys a revamped code base securing several cryptosystems against SCA, favoring a secure-by-default protection against side-channel attacks, instead of the insecure opt-in flagging mechanism provided by the fragile BN_FLG_CONSTTIME flag

Recovering cryptographic keys from partial information, by example

Side-channel attacks targeting cryptography may leak only partial or indirect information about the secret keys. There are a variety of techniques in the literature for recovering secret keys from partial information. In this tutorial, we survey several of the main families of partial key recovery algorithms for RSA, (EC)DSA, and (elliptic curve) Diffie-Hellman, the public-key cryptosystems in common use today. We categorize the known techniques by the structure of the information that is learned by the attacker, and give simplified examples for each technique to illustrate the underlying ideas

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 /

ANALYSIS OF CRYPTOGRAPHIC ALGORITHMS AGAINST THEORETICAL AND IMPLEMENTATION ATTACKS

This thesis deals with theoretical and implementation analysis of cryptographic functions. Theoretical attacks exploit weaknesses in the mathematical structure of the cryptographic primitive, while implementation attacks leverage on information obtained by its physical implementation, such as leakage through physically observable parameters (side-channel analysis) or susceptibility to errors (fault analysis). In the area of theoretical cryptanalysis, we analyze the resistance of the Keccak-f permutations to differential cryptanalysis (DC). Keccak-f is used in different cryptographic primitives: Keccak (which defines the NIST standard SHA-3), Ketje and Keyak (which are currently at the third round of the CAESAR competition) and the authenticated encryption function Kravatte. In its basic version, DC makes use of differential trails, i.e. sequences of differences through the rounds of the primitive. The power of trails in attacks can be characterized by their weight. The existence of low-weight trails over all but a few rounds would imply a low resistance with respect to DC. We thus present new techniques to effciently generate all 6-round differential trails in Keccak-f up to a given weight, in order to improve known lower bounds. The limit weight we can reach with these new techniques is very high compared to previous attempts in literature for weakly aligned primitives. This allows us to improve the lower bound on 6 rounds from 74 to 92 for the four largest variants of Keccak-f. This result has been used by the authors of Kravatte to choose the number of rounds in their function. Thanks to their abstraction level, some of our techniques are actually more widely applicable than to Keccak-f. So, we formalize them in a generic way. The presented techniques have been integrated in the KeccakTools and are publicly available. In the area of fault analysis, we present several results on differential fault analysis (DFA) on the block cipher AES. Most DFA attacks exploit faults that modify the intermediate state or round key. Very few examples have been presented, that leverage changes in the sequence of operations by reducing the number of rounds. In this direction, we present four DFA attacks that exploit faults that alter the sequence of operations during the final round. In particular, we show how DFA can be conducted when the main operations that compose the AES round function are corrupted, skipped or repeated during the final round. Another aspect of DFA we analyze is the role of the fault model in attacks. We study it from an information theoretical point of view, showing that the knowledge that the attacker has on the injected fault is fundamental to mount a successful attack. In order to soften the a-priori knowledge on the injection technique needed by the attacker, we present a new approach for DFA based on clustering, called J-DFA. The experimental results show that J-DFA allows to successfully recover the key both in classical DFA scenario and when the model does not perfectly match the faults effect. A peculiar result of this method is that, besides the preferred candidate for the key, it also provides the preferred models for the fault. This is a quite remarkable ability because it furnishes precious information which can be used to analyze, compare and characterize different specific injection techniques on different devices. In the area of side-channel attacks, we improve and extend existing attacks against the RSA algorithm, known as partial key exposure attacks. These attacks on RSA show how it is possible to find the factorization of the modulus from the knowledge of some bits of the private key. We present new partial key exposure attacks when the countermeasure known as exponent blinding is used. We first improve known results for common RSA setting by reducing the number of bits or by simplifying the mathematical analysis. Then we present novel attacks for RSA implemented using the Chinese Remainder Theorem, a scenario that has never been analyzed before in this context

Remote Attacks on FPGA Hardware

Immer mehr Computersysteme sind weltweit miteinander verbunden und über das Internet zugänglich, was auch die Sicherheitsanforderungen an diese erhöht. Eine neuere Technologie, die zunehmend als Rechenbeschleuniger sowohl für eingebettete Systeme als auch in der Cloud verwendet wird, sind Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs). Sie sind sehr flexible Mikrochips, die per Software konfiguriert und programmiert werden können, um beliebige digitale Schaltungen zu implementieren. Wie auch andere integrierte Schaltkreise basieren FPGAs auf modernen Halbleitertechnologien, die von Fertigungstoleranzen und verschiedenen Laufzeitschwankungen betroffen sind. Es ist bereits bekannt, dass diese Variationen die Zuverlässigkeit eines Systems beeinflussen, aber ihre Auswirkungen auf die Sicherheit wurden nicht umfassend untersucht. Diese Doktorarbeit befasst sich mit einem Querschnitt dieser Themen: Sicherheitsprobleme die dadurch entstehen wenn FPGAs von mehreren Benutzern benutzt werden, oder über das Internet zugänglich sind, in Kombination mit physikalischen Schwankungen in modernen Halbleitertechnologien. Der erste Beitrag in dieser Arbeit identifiziert transiente Spannungsschwankungen als eine der stärksten Auswirkungen auf die FPGA-Leistung und analysiert experimentell wie sich verschiedene Arbeitslasten des FPGAs darauf auswirken. In der restlichen Arbeit werden dann die Auswirkungen dieser Spannungsschwankungen auf die Sicherheit untersucht. Die Arbeit zeigt, dass verschiedene Angriffe möglich sind, von denen früher angenommen wurde, dass sie physischen Zugriff auf den Chip und die Verwendung spezieller und teurer Test- und Messgeräte erfordern. Dies zeigt, dass bekannte Isolationsmaßnahmen innerhalb FPGAs von böswilligen Benutzern umgangen werden können, um andere Benutzer im selben FPGA oder sogar das gesamte System anzugreifen. Unter Verwendung von Schaltkreisen zur Beeinflussung der Spannung innerhalb eines FPGAs zeigt diese Arbeit aktive Angriffe, die Fehler (Faults) in anderen Teilen des Systems verursachen können. Auf diese Weise sind Denial-of-Service Angriffe möglich, als auch Fault-Angriffe um geheime Schlüsselinformationen aus dem System zu extrahieren. Darüber hinaus werden passive Angriffe gezeigt, die indirekt die Spannungsschwankungen auf dem Chip messen. Diese Messungen reichen aus, um geheime Schlüsselinformationen durch Power Analysis Seitenkanalangriffe zu extrahieren. In einer weiteren Eskalationsstufe können sich diese Angriffe auch auf andere Chips auswirken die an dasselbe Netzteil angeschlossen sind wie der FPGA. Um zu beweisen, dass vergleichbare Angriffe nicht nur innerhalb FPGAs möglich sind, wird gezeigt, dass auch kleine IoT-Geräte anfällig für Angriffe sind welche die gemeinsame Spannungsversorgung innerhalb eines Chips ausnutzen. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass grundlegende physikalische Variationen in integrierten Schaltkreisen die Sicherheit eines gesamten Systems untergraben können, selbst wenn der Angreifer keinen direkten Zugriff auf das Gerät hat. Für FPGAs in ihrer aktuellen Form müssen diese Probleme zuerst gelöst werden, bevor man sie mit mehreren Benutzern oder mit Zugriff von Drittanbietern sicher verwenden kann. In Veröffentlichungen die nicht Teil dieser Arbeit sind wurden bereits einige erste Gegenmaßnahmen untersucht

Public key cryptosystems : theory, application and implementation

The determination of an individual's right to privacy is mainly a nontechnical matter, but the pragmatics of providing it is the central concern of the cryptographer. This thesis has sought answers to some of the outstanding issues in cryptography. In particular, some of the theoretical, application and implementation problems associated with a Public Key Cryptosystem (PKC).The Trapdoor Knapsack (TK) PKC is capable of fast throughput, but suffers from serious disadvantages. In chapter two a more general approach to the TK-PKC is described, showing how the public key size can be significantly reduced. To overcome the security limitations a new trapdoor was described in chapter three. It is based on transformations between the radix and residue number systems.Chapter four considers how cryptography can best be applied to multi-addressed packets of information. We show how security or communication network structure can be used to advantage, then proposing a new broadcast cryptosystem, which is more generally applicable.Copyright is traditionally used to protect the publisher from the pirate. Chapter five shows how to protect information when in easily copyable digital format.Chapter six describes the potential and pitfalls of VLSI, followed in chapter seven by a model for comparing the cost and performance of VLSI architectures. Chapter eight deals with novel architectures for all the basic arithmetic operations. These architectures provide a basic vocabulary of low complexity VLSI arithmetic structures for a wide range of applications.The design of a VLSI device, the Advanced Cipher Processor (ACP), to implement the RSA algorithm is described in chapter nine. It's heart is the modular exponential unit, which is a synthesis of the architectures in chapter eight. The ACP is capable of a throughput of 50 000 bits per second