KDM Security for Identity-Based Encryption: Constructions and Separations

For encryption schemes, key dependent message (KDM) security requires that ciphertexts preserve secrecy even when the messages to be encrypted depend on the secret keys. While KDM security has been extensively studied for public-key encryption (PKE), it receives much less attention in the setting of identity-based encryption (IBE). In this work, we focus on the KDM security for IBE. Our results are threefold. We first propose a generic approach to transfer the KDM security results (both positive and negative) from PKE to IBE. At the heart of our approach is a neat structure-mirroring PKE-to-IBE transformation based on indistinguishability obfuscation and puncturable PRFs, which establishes a connection between PKE and IBE in general. However, the obtained results are restricted to selective-identity sense. We then concentrate on results in adaptive-identity sense. On the positive side, we present two constructions that achieve KDM security in the adaptive-identity sense for the first time. One is built from identity-based hash proof system (IB-HPS) with homomorphic property, which indicates that the IBE schemes of Gentry (Eurocrypt 2006), Coron (DCC 2009), Chow et al. (CCS 2010) are actually KDM-secure in the single-key setting. The other is built from indistinguishability obfuscation and a new notion named puncturable unique signature, which is bounded KDM-secure in the single-key setting. On the negative side, we separate CPA/CCA security from $n$-circular security (which is a prototypical case of KDM security) for IBE by giving a counterexample based on differing-inputs obfuscation and a new notion named puncturable IBE. We further propose a general framework for generating $n$-circular security counterexamples in identity-based setting, which might be of independent interest

Data Service Outsourcing and Privacy Protection in Mobile Internet

Mobile Internet data have the characteristics of large scale, variety of patterns, and complex association. On the one hand, it needs efficient data processing model to provide support for data services, and on the other hand, it needs certain computing resources to provide data security services. Due to the limited resources of mobile terminals, it is impossible to complete large-scale data computation and storage. However, outsourcing to third parties may cause some risks in user privacy protection. This monography focuses on key technologies of data service outsourcing and privacy protection, including the existing methods of data analysis and processing, the fine-grained data access control through effective user privacy protection mechanism, and the data sharing in the mobile Internet

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

Sécurité étendue de la cryptographie fondée sur les réseaux euclidiens

Lattice-based cryptography is considered as a quantum-safe alternative for the replacement of currently deployed schemes based on RSA and discrete logarithm on prime fields or elliptic curves. It offers strong theoretical security guarantees, a large array of achievable primitives, and a competitive level of efficiency. Nowadays, in the context of the NIST post-quantum standardization process, future standards may ultimately be chosen and several new lattice-based schemes are high-profile candidates. The cryptographic research has been encouraged to analyze lattice-based cryptosystems, with a particular focus on practical aspects. This thesis is rooted in this effort.In addition to black-box cryptanalysis with classical computing resources, we investigate the extended security of these new lattice-based cryptosystems, employing a broad spectrum of attack models, e.g. quantum, misuse, timing or physical attacks. Accounting that these models have already been applied to a large variety of pre-quantum asymmetric and symmetric schemes before, we concentrate our efforts on leveraging and addressing the new features introduced by lattice structures. Our contribution is twofold: defensive, i.e. countermeasures for implementations of lattice-based schemes and offensive, i.e. cryptanalysis.On the defensive side, in view of the numerous recent timing and physical attacks, we wear our designer’s hat and investigate algorithmic protections. We introduce some new algorithmic and mathematical tools to construct provable algorithmic countermeasures in order to systematically prevent all timing and physical attacks. We thus participate in the actual provable protection of the GLP, BLISS, qTesla and Falcon lattice-based signatures schemes.On the offensive side, we estimate the applicability and complexity of novel attacks leveraging the lack of perfect correctness introduced in certain lattice-based encryption schemes to improve their performance. We show that such a compromise may enable decryption failures attacks in a misuse or quantum model. We finally introduce an algorithmic cryptanalysis tool that assesses the security of the mathematical problem underlying lattice-based schemes when partial knowledge of the secret is available. The usefulness of this new framework is demonstrated with the improvement and automation of several known classical, decryption-failure, and side-channel attacks.La cryptographie fondée sur les réseaux euclidiens représente une alternative prometteuse à la cryptographie asymétrique utilisée actuellement, en raison de sa résistance présumée à un ordinateur quantique universel. Cette nouvelle famille de schémas asymétriques dispose de plusieurs atouts parmi lesquels de fortes garanties théoriques de sécurité, un large choix de primitives et, pour certains de ses représentants, des performances comparables aux standards actuels. Une campagne de standardisation post-quantique organisée par le NIST est en cours et plusieurs schémas utilisant des réseaux euclidiens font partie des favoris. La communauté scientifique a été encouragée à les analyser car ils pourraient à l’avenir être implantés dans tous nos systèmes. L’objectif de cette thèse est de contribuer à cet effort.Nous étudions la sécurité de ces nouveaux cryptosystèmes non seulement au sens de leur résistance à la cryptanalyse en “boîte noire” à l’aide de moyens de calcul classiques, mais aussi selon un spectre plus large de modèles de sécurité, comme les attaques quantiques, les attaques supposant des failles d’utilisation, ou encore les attaques par canaux auxiliaires. Ces différents types d’attaques ont déjà été largement formalisés et étudiés par le passé pour des schémas asymétriques et symétriques pré-quantiques. Dans ce mémoire, nous analysons leur application aux nouvelles structures induites par les réseaux euclidiens. Notre travail est divisé en deux parties complémentaires : les contremesures et les attaques.La première partie regroupe nos contributions à l’effort actuel de conception de nouvelles protections algorithmiques afin de répondre aux nombreuses publications récentes d’attaques par canaux auxiliaires. Les travaux réalisés en équipe auxquels nous avons pris part on abouti à l’introduction de nouveaux outils mathématiques pour construire des contre-mesures algorithmiques, appuyées sur des preuves formelles, qui permettent de prévenir systématiquement les attaques physiques et par analyse de temps d’exécution. Nous avons ainsi participé à la protection de plusieurs schémas de signature fondés sur les réseaux euclidiens comme GLP, BLISS, qTesla ou encore Falcon.Dans une seconde partie consacrée à la cryptanalyse, nous étudions dans un premier temps de nouvelles attaques qui tirent parti du fait que certains schémas de chiffrement à clé publique ou d’établissement de clé peuvent échouer avec une faible probabilité. Ces échecs sont effectivement faiblement corrélés au secret. Notre travail a permis d’exhiber des attaques dites « par échec de déchiffrement » dans des modèles de failles d’utilisation ou des modèles quantiques. Nous avons d’autre part introduit un outil algorithmique de cryptanalyse permettant d’estimer la sécurité du problème mathématique sous-jacent lorsqu’une information partielle sur le secret est donnée. Cet outil s’est avéré utile pour automatiser et améliorer plusieurs attaques connues comme des attaques par échec de déchiffrement, des attaques classiques ou encore des attaques par canaux auxiliaires