On the Key-Uncertainty of Quantum Ciphers and the Computational Security of One-way Quantum Transmission

We consider the scenario where Alice wants to send a secret (classical) $n$-bit message to Bob using a classical key, and where only one-way transmission from Alice to Bob is possible. In this case, quantum communication cannot help to obtain perfect secrecy with key length smaller then $n$. We study the question of whether there might still be fundamental differences between the case where quantum as opposed to classical communication is used. In this direction, we show that there exist ciphers with perfect security producing quantum ciphertext where, even if an adversary knows the plaintext and applies an optimal measurement on the ciphertext, his Shannon uncertainty about the key used is almost maximal. This is in contrast to the classical case where the adversary always learns $n$ bits of information on the key in a known plaintext attack. We also show that there is a limit to how different the classical and quantum cases can be: the most probable key, given matching plain- and ciphertexts, has the same probability in both the quantum and the classical cases. We suggest an application of our results in the case where only a short secret key is available and the message is much longer.Comment: 19 pages, 2 figures. This is a revised version of an earlier version that appeared in the proc. of Eucrocrypt'04:LNCS3027, 200

Cryptanalysis of two chaotic encryption schemes based on circular bit shift and XOR operations

Recently two encryption schemes were proposed by combining circular bit shift and XOR operations, under the control of a pseudorandom bit sequence (PRBS) generated from a chaotic system. This paper studies the security of these two encryption schemes and reports the following findings: 1) there exist some security defects in both schemes; 2) the underlying chaotic PRBS can be reconstructed as an equivalent key by using only two chosen plaintexts; 3) most elements in the underlying chaotic PRBS can be obtained by a differential known-plaintext attack using only two known plaintexts. Experimental results are given to demonstrate the feasibility of the proposed attack.Comment: 17 pages, 8 figure

Agonistic behavior of captive saltwater crocodile, crocodylus porosus in Kota Tinggi, Johor

Agonistic behavior in Crocodylus porosus is well known in the wild, but the available data regarding this behavior among the captive individuals especially in a farm setting is rather limited. Studying the aggressive behavior of C. porosus in captivity is important because the data obtained may contribute for conservation and the safety for handlers and visitors. Thus, this study focuses on C. porosus in captivity to describe systematically the agonistic behaviour of C. porosus in relation to feeding time, daytime or night and density per pool. This study was carried out for 35 days in two different ponds. The data was analysed using Pearson’s chi-square analysis to see the relationship between categorical factors. The study shows that C. porosus was more aggressive during daylight, feeding time and non-feeding time in breeding enclosure (Pond C, stock density =0.0369 crocodiles/m2) as compared to non-breeding pond (Pond B, stock density =0.3317 crocodiles/m2) where it is only aggressive during the nighttime. Pond C shows the higher domination in the value of aggression in feeding and non-feeding time where it is related to its function as breeding ground. Chi-square analysis shows that there is no significant difference between ponds (p=0.47, χ2= 2.541, df= 3), thus, there is no relationship between categorical factors. The aggressive behaviour of C. porosus is important for the farm management to evaluate the risk in future for the translocation process and conservation of C. porosus generally

Wave-Shaped Round Functions and Primitive Groups

Round functions used as building blocks for iterated block ciphers, both in the case of Substitution-Permutation Networks and Feistel Networks, are often obtained as the composition of different layers which provide confusion and diffusion, and key additions. The bijectivity of any encryption function, crucial in order to make the decryption possible, is guaranteed by the use of invertible layers or by the Feistel structure. In this work a new family of ciphers, called wave ciphers, is introduced. In wave ciphers, round functions feature wave functions, which are vectorial Boolean functions obtained as the composition of non-invertible layers, where the confusion layer enlarges the message which returns to its original size after the diffusion layer is applied. This is motivated by the fact that relaxing the requirement that all the layers are invertible allows to consider more functions which are optimal with regard to non-linearity. In particular it allows to consider injective APN S-boxes. In order to guarantee efficient decryption we propose to use wave functions in Feistel Networks. With regard to security, the immunity from some group-theoretical attacks is investigated. In particular, it is shown how to avoid that the group generated by the round functions acts imprimitively, which represent a serious flaw for the cipher

Exhaustive Search for Small Dimension Recursive MDS Diffusion Layers for Block Ciphers and Hash Functions

This article presents a new algorithm to find MDS matrices that are well suited for use as a diffusion layer in lightweight block ciphers. Using an recursive construction, it is possible to obtain matrices with a very compact description. Classical field multiplications can also be replaced by simple F2-linear transformations (combinations of XORs and shifts) which are much lighter. Using this algorithm, it was possible to design a 16x16 matrix on a 5-bit alphabet, yielding an efficient 80-bit diffusion layer with maximal branch number.Comment: Published at ISIT 201

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 /