Aperiodic logarithmic signatures

In this paper we propose a method to construct logarithmic signatures which are not amalgamated transversal and further do not even have a periodic block. The latter property was crucial for the successful attack on the system MST3 by Blackburn et al. [1]. The idea for our construction is based on the theory in Szab\'o's book about group factorizations [12]

SOME REMARKS ON THE LOGARITHMIC SIGNATURES OF FINITE ABELIAN GROUPS

In the paper about the cryptosystem MST3, Svaba and Trung pro- posed a way to build a cryptosystem based on the concept of logarithmic signa- tures, and they choose Suzuki\u27s group, which is not abelian for implementing. Recently, to reason why these methods cannot be applied to abelian groups; Sv- aba, Trung and Wolf developed some algorithms to factorize the fused transver- sal logarithmic signatures (FTLS). Their attacks can be avoided by some mod- ications, which is the aim of this paper, where we will use the weakness of the discrete logarithm problem (DLP) to propose two cryptosystems. The rst one is based on the new concept about quasi-logarithmic signature of nite solvable groups, which is the generalization of logarithmic signatures. The second is built on the logarithmic signatures of nite cyclic 2-groups, which include two interesting examples on Pell\u27s curves and elliptic curves over nite elds

Group Factorizations and Cryptology

Asymmetric cryptosystems, also called public-key systems, can for instance be used for encrypting data, authentication and integrity checking of data. Such systems can be found in numerous protocols, e.g. in the areas World Wide Web (HTTPS based on SSL/TLS), e-mail (S/MIME, OpenPGP/PGP), remote command execution (SSH), file transfer (SCP), and many more. One-way functions are functions that can be computed efficiently, but are hard to invert. One-way functions that can be inverted efficiently with an additional information (the private key) are called trap-door functions. Asymmetric cryptosystems are based on trap-door functions. Most of the currently used asymmetric systems, especially RSA and ElGamal, are based on such functions in commutative algebraic structures. Whether commutative structures are a security issue due to their properties is unknown up to now. In any case the development and analysis of systems that are based on non-commutative structures is reasonable. A cryptosystem called MST1, which has been introduced by S. S. Magliveras, D. R. Stinson and T. van Trung, is based on so-called logarithmic signatures of arbitrary (also including non-commutative, i.e. non-abelian) finite groups. For a finite group G an ordered set L of subsets of G is being regarded, where each element of G has a unique representation as product of one element from each subset in L. L is then called a logarithmic signature. An interesting question now is whether there exist logarithmic signatures where it is hard to find a factorization as product in L for a given group element. If yes, this would be a one-way function: products of group elements (with factors from L) can be computed efficiently, but the inversion, i.e. finding a factorization as product in L, would be hard. In this dissertation the realizability and security of MST1 is analyzed for various groups and logarithmic signature types. The first part of the dissertation deals with the generation of logarithmic signatures. The ability to efficiently generate logarithmic signatures is a requirement for a concrete realization of the MST1 cryptosystem. We first investigate transformations of logarithmic signatures (their effect on factorization mappings, subclasses of transformations, compositions of transformations, etc.). Based on this, we develop an algorithm for generating logarithmic signatures. This algorithm also works with non-abelian groups, and for abelian groups the set of generated logarithmic signatures is typically a proper superset of the logarithmic signatures generated by the methods usually used in literature. Subsequently, we regard the factorization problem with respect to logarithmic signatures for various groups. For abelian groups we develop factorization algorithms that are efficient for specific classes of logarithmic signatures. Furthermore, we develop a generic factorization algorithm, which not only works with logarithmic signatures but all block sequences (and the run-time depends on the structure of the input), and for which the efficiency can be shown for some large classes of logarithmic signatures. Moreover, we analyze logarithmic signatures of dihedral groups, and present efficient factorization algorithms for specific types of logarithmic signatures. These results are generalized and extended: we analyze the generalized quaternion group and wreath products. In the previous investigations we used a specific representation of the group. In another part of the dissertation we analyze in which cases one can give an efficient algorithm for converting elements of an arbitrarily represented group (black box group) with known structure to the representation used in the previous chapters. Finally, we present our program, in which a cryptosystem (based on a generalized MST1) and the various generation and factorization algorithms developed in this work have been implemented.Asymmetrische Kryptosysteme, auch Public-Key-Systeme genannt, können u.a. zur Verschlüsselung von Daten, Authentifizierung und Sicherstellung der Integrität von Daten eingesetzt werden. Solche Systeme sind in zahlreichen Protokollen zu finden, z.B. in den Bereichen World Wide Web (HTTPS basierend auf SSL/TLS), E-Mail (S/MIME, OpenPGP/PGP), entfernte Befehlsausführung (SSH), Dateitransfer (SCP), und vielen weiteren. Einwegfunktionen sind Funktionen, die sich effizient berechnen lassen, aber sehr schwierig zu invertieren sind. Einwegfunktionen, die sich mit einer Zusatzinformation (dem privaten Schlüssel) doch effizient invertieren lassen, werden Falltürfunktionen genannt. Asymmetrische Kryptosysteme basieren auf Falltürfunktionen. Die meisten der heute verwendeten asymmetrischen Verfahren, insbesondere RSA und ElGamal, basieren auf solchen Funktionen in kommutativen algebraischen Strukturen. Ob kommutative Strukturen aufgrund deren Eigenschaften ein Sicherheitsproblem darstellen könnten, lässt sich derzeit nicht sagen. Auf jeden Fall ist die Entwicklung und Untersuchung von Verfahren, die auf nicht-kommutativen Strukturen beruhen, sinnvoll. Ein Kryptosystem namens MST1, das von S. S. Magliveras, D. R. Stinson und T. van Trung vorgestellt wurde, basiert auf sogenannten logarithmischen Signaturen von beliebigen (also auch nicht-kommutativen, d.h. nicht-abelschen) endlichen Gruppen. Für eine endliche Gruppe G wird eine geordnete Menge L von Teilmengen von G betrachtet, wobei jedes Element von G eine eindeutige Darstellung als Produkt von jeweils einem Element aus den Teilmengen in L haben soll. L wird dann eine logarithmische Signatur genannt. Interessant ist nun die Frage, ob es logarithmische Signaturen gibt, für die es schwierig ist, für ein gegebenes Gruppenelement eine solche Faktorisierung als Produkt in L zu finden. Falls ja, dann wäre dies eine Einwegfunktion: Produkte von Gruppenelementen (mit Faktoren aus L) können effizient berechnet werden, aber die Invertierung, d.h. das Finden einer Faktorisierung als Produkt in L, wäre schwierig. In dieser Dissertation wird für verschiedene Gruppen und Typen logarithmischer Signaturen die Realisierbarkeit und Sicherheit von MST1 untersucht. Der erste Teil der Dissertation befasst sich mit der Erzeugung von logarithmischen Signaturen. Logarithmische Signaturen effizient erzeugen zu können ist eine Voraussetzung für eine konkrete Realisierung des MST1-Kryptosystems. Wir untersuchen zunächst Transformationen logarithmischer Signaturen (deren Effekt auf Faktorisierungsabbildungen, Unterklassen von Transformationen, Hintereinanderausführungen von Transformationen, usw.). Basierend darauf entwickeln wir einen Algorithmus zur Erzeugung logarithmischer Signaturen. Dieser funktioniert auch mit nicht-abelschen Gruppen, und bei abelschen Gruppen werden in der Regel mehr logarithmische Signaturen erzeugt als bei den üblicherweise in der Literatur verwendeten Verfahren. Danach betrachten wir das Faktorisierungsproblem bzgl. logarithmischer Signaturen für verschiedene Gruppen. Für abelsche Gruppen entwickeln wir Faktorisierungsalgorithmen, die bei bestimmten Klassen von logarithmischen Signaturen effizient sind. Außerdem entwickeln wir einen generischen Faktorisierungsalgorithmus, der nicht nur mit logarithmischen Signaturen sondern mit allen Blocksequenzen funktioniert (wobei die Laufzeit von der Struktur der Eingabe abhängig ist), und bei dem für einige große Klassen logarithmischer Signaturen die Effizienz gezeigt werden kann. Des Weiteren untersuchen wir logarithmische Signaturen von Diedergruppen, und geben effiziente Faktorisierungsalgorithmen für bestimmte Typen logarithmischer Signaturen an. Diese Ergebnisse werden verallgemeinert und ausgebaut; wir untersuchen u.a. die verallgemeinerte Quaternionengruppe und Kranzprodukte. Bei den vorherigen Untersuchungen wurde jeweils eine bestimmte Darstellung der Gruppe verwendet. In einem weiteren Teil der Dissertation analysieren wir, in welchen Fällen sich für eine beliebig gegebene Gruppe (Black-Box-Gruppe) mit bekannter Struktur ein effizienter Algorithmus zur Konvertierung von Gruppenelementen in die Darstellung, die in den vorherigen Kapiteln verwendet wurde, angeben lässt. Abschließend stellen wir unser Programm vor, in dem ein Kryptosystem (basierend auf einem verallgemeinerten MST1) und die verschiedenen in dieser Arbeit entwickelten Erzeugungs- und Faktorisierungsalgorithmen implementiert wurden

Finite Algebras with Hom-Sets of Polynomial Size

We provide an internal characterization of those finite algebras (i.e., algebraic structures) $\mathbf A$ such that the number of homomorphisms from any finite algebra $\mathbf X$ to $\mathbf A$ is bounded from above by a polynomial in the size of $\mathbf X$. Namely, an algebra $\mathbf A$ has this property if, and only if, no subalgebra of $\mathbf A$ has a nontrivial strongly abelian congruence. We also show that the property can be decided in polynomial time for algebras in finite signatures. Moreover, if $\mathbf A$ is such an algebra, the set of all homomorphisms from $\mathbf X$ to $\mathbf A$ can be computed in polynomial time given $\mathbf X$ as input. As an application of our results to the field of computational complexity, we characterize inherently tractable constraint satisfaction problems over fixed finite structures, i.e., those that are tractable and remain tractable after expanding the fixed structure by arbitrary relations or functions

Covers and Logarithmic Signatures of Finite Groups in Cryptography

After the first time Diffie and Hellmann [1] introduced the idea of separate keys, asymmetric cryptography has became increasingly developing. Many public key cryptosystems have been proposed, but only few of such systems remain unbroken. The most of them used nowadays are based on the perceived intractability of certain mathematical problems in very large, finite cyclic groups. In the late 1970's S. Magliveras started to investigate the use of special factorizations, called logarithmic signatures, of finite non-abelian groups in cryptography [2,3,4,5]. Later, Magliveras, Stinson and Tran van Trung [6] have done some preliminary work in creating two public key cryptosystems, MST1, based on logarithmic signatures, and MST2, based on another type of group coverings called [s,r]-meshes. Until now however, no practical realizations are known for MST1 or MST2. Recently, a new type of public key cryptosystem, called MST3 [7], has been developed on the basis of logarithmic signatures and random covers of finite non-abelian groups (i.e. factorization sequences in which blocks are constructed by sampling uniformly at random on the underlying group). For a possible realization of the generic version of this system, the Suzuki 2-groups have been suggested. %Due to their simple structure, these groups make it possible for studying the security of the scheme. The primary objective of this thesis is to show that cryptosystem MST3 can be realized with Suzuki 2-groups. To this question we can give an affirmative answer. There are several challenges in designing the practical realization of the scheme. The first problem is to efficiently generate covers for large groups and with good cryptographic properties. Showing the connection of this problem with the classical occupancy problem, we determine a bound for the probability that randomly chosen collection of group elements compose a cover. As a consequence, we solve the problem of generating random covers for arbitrary large groups. We also present several experimental computer results about covers and uniform covers for some alternating groups.Due to their simple structure, the Suzuki 2-groups enable us to study the security of the system and also provide an efficient implementation. In the first realization, a special class of canonical logarithmic signatures for elementary abelian 2-groups has been proposed as a basis for the key generation. These are easily constructed and allow highly efficient factorization. We provide an attack, showing that canonical signatures cannot be used to build secure realization of MST3 with Suzuki 2-groups. Motivated by the attack on the first realization, we propose a new variant with significant improvement, strengthening the system's security. For that purpose we re-design the set-up of the scheme and introduce a new class of fused transversal logarithmic signatures. These allow efficient factorization if we keep track of the transformations used to generate them. We present a thorough study of the security of the scheme by using heuristic and algebraic methods. We first determine the complexity for the lower bounds of conceivable direct attacks to recover the private key in terms of the size of the groups. These bounds give a hint of the strength of the system. We further develop a powerful method for a chosen plaintext attack showing non-fused transversal logarithmic signatures cannot be used. Moreover, proposed class of fused transversal logarithmic signatures withstand this attack when used in MST3 with Suzuki 2-groups and thus to our knowledge could be used to build secure realization of the scheme. We describe and discuss the implementation issues of the system in detail and include data of its performance obtained from an experimental result. Apart from the main research objective, we introduce a new approach to designing pseudorandom number generators based on random covers of finite groups. PRNGs based on random covers, called MSTg, turn out to be highly efficient for a certain class of group and produces high-quality random bit sequences. A very extensive sequence of tests for randomness using the NIST Statistical Test Suite and Diehard Battery of Tests provided here show extremely strong properties for the new methodology. More importantly, we show evidence that this class of generators is suitable for cryptographic applications. Finally, we include performance data of the generators and propose a method of using them in practice. [1] W. Diffie and M. E. Hellman, New Directions in Cryptography, IEEE Trans. on Inform. Theory, IT-22(6) (1976), 644–654. [2] S. S. Magliveras, B. A. Oberg and A. J. Surkan, A New Random Number Generator from Permutation Groups, In Rend. del Sem. Matemat. e Fis. di Milano, LIV (1984), 203–223. [3] S. S. Magliveras, A cryptosystem from logarithmic signatures of finite groups, in Proceedings of the 29’th Midwest Symposium on Circuits and Systems, Elsevier Publ. Co. (1986), 972–975. [4] S. S. Magliveras and N.D. Memon, Properties of Cryptosystem PGM, Advances in Cryptology, Lecture Notes in Comp. Sc., Springer-Verlag, 435 (1989), 447–460. [5] S. S. Magliveras and N.D. Memon, Random Permutations from Logarithmic Signatures, Computing in the 90’s, First Great Lakes Comp. Sc. Conf., Lecture Notes in Computer Science, Springer-Verlag, 507 (1989), 91–97. [6] S. S. Magliveras, Tran van Trung and D.R. Stinson, New approaches to designing public key cryptosystems using one-way functions and trap-doors in finite groups, J. of Cryptology, 15 (2002), 285–297. [7] W. Lempken, S. S. Magliveras, Tran van Trung and W. Wei, A public key cryptosystem based on non-abelian finite groups, J. of Cryptology, 22 (2009), 62–74.Nachdem Diffie und Hellman [1] die Idee von getrennten Schlüsseln für Verschlüsselungsverfahren präsentierten, wurde die asymmetrische Kryptographie zunehmend weiter entwickelt. Viele Public Key Kryptosysteme wurden vorgeschlagen, aber nur wenige wurden letztlich nicht gebrochen. Die meisten von ihnen, die noch heute verwendet werden, basieren auf den bekannten Schwierigkeiten von bestimmten mathematischen Problemen in sehr großen endlichen zyklischen Gruppen. In den späten 1970ern begann S. Magliveras den Nutzen spezieller Faktorisierungen auf endlichen nicht-abelschen Gruppen, bekannt als logarithmische Signaturen, in der Kryptographie zu erforschen [2,3,4,5]. Später folgten weitere wegweisende Arbeiten von Magliveras, Stinson und Tran van Trung [6] die sowohl das Kryptosystem MST1, welches auf logarithmischen Signaturen basiert, als auch MST2, das auf einer anderen Art von Gruppen-Überdeckungen – den sogenannten [s,r]-Gittern – arbeitet, bekannt machten. Bisher sind allerdings noch keine praktische Realisierungen von MST1 oder MST2 bekannt. Kürzlich wurde ein neues Public Key Kryptosystem namens MST3 [7] entwickelt, das auf der Grundlage von logarithmischen Signaturen und zufälligen Überdeckungen von endlichen nicht-abelschen Gruppen arbeitet. Für eine mögliche Realisierung der generischen Version dieses Systems wurden die Suzuki-2-Gruppen vorgeschlagen. Das Hauptziel dieser Arbeit liegt darin zu zeigen, dass MST3 auf Suzuki-2-Gruppen realisiert werden kann. Diese Frage können wir im positiven Sinne beantworten. Es gab einige Änderungen in der Umsetzung der Realisierung des Systems. Das erste Problem besteht darin, effizient zufällige Überdeckungen für große Gruppen mit guten kryptographischen Eigenschaften zu erzeugen. In dem wir den Bezug zum klassischen Belegungsproblem (“the occupancy problem”) herstellen, können wir eine Schranke für die Wahrscheinlichkeit, dass eine zufällige Ansammlung von Gruppenelementen eine Überdeckung bilden, bestimmen. Eine Konsequenz daraus ist, dass wir das Problem, zufällige Überdeckungen für beliebige große Gruppen zu erzeugen, lösen können. Weiterhin stellen wir einige Resultate spezieller Computerexperimente bezüglich Überdeckungen und gleichmäßigen Überdeckungen zu verschiedenen Gruppen vor. Dank ihrer einfachen Struktur erlauben uns die Suzuki-2-Gruppen die Sicherheit des Systems genau zu studieren und es effizient zu implementieren. In der ersten Realisierung wird eine spezielle Klasse von kanonisch logarithmischen Signaturen zu elementar-abelschen 2-Gruppen als Basis für die Schlüsselgenerierung verwendet. Diese sind leicht zu konstruieren und erlauben eine sehr effiziente Faktorisierung. Wir betrachten einen Angriff, der zeigt, dass kanonische Signaturen nicht benutzt werden können um eine sichere Umsetzung von MST3 mit Suzuki-2-Gruppen zu realisieren. Motiviert durch die Attacke auf die erste Realisierung konnten wir eine neue Variante mit signifikanten Verbesserungen vorstellen, welche die Sicherheit des Systems deutlich stärken. Zu diesem Zweck verwendeten wir für das Setup des Systems eine Funktion zur Maskierung des privaten Schlüssels. Ferner führten wir eine Klasse von fusionierten transversalen logarithmischen Signaturen für die Realisierung des Verfahrens ein. Diese erlauben eine effiziente Faktorisierung mit Hilfe einer “Trapdoor” Information. Wir stellen eine genaue Studie der Sicherheit des Systems vor, in dem wir heuristische und algebraische Methoden verwenden. Zunächst bestimmen wir die untere Schranke der Komplexität bezüglich der Gruppengröße von möglich vorstellbaren direkten Attacken, um den privaten Schlüssel zu erhalten. Diese Schranken geben einen Hinweis auf die Stärke des Systems. Weiterhin entwickeln wir eine mächtige Methode für eine Chosen-Plaintext-Attacke, und zeigen, dass nicht-fusionierte transversale logarithmische Signaturen nicht verwendet werden können. Zudem zeigen wir, dass die vorgeschlagene Klassen von fusionierten transversalen Signaturen dieser Attacke widerstehen, und nach unserem Wissen, sie damit eine sichere Realisierung des Systems ermöglichen. Wir beschreiben und diskutieren die Implementierung des Systems im Detail und ziehen dabei Daten über die Effizienz, die wir als Resultate von einem Experiment erhielten, mit ein. Abgesehen von dem zentralen Forschungsobjekt werden wir noch einen neuen Ansatz für die Konstruktion pseudo-zufälliger Zahlengeneratoren (PRNG) vorstellen, welcher auf zufälligen Überdeckungen von endlichen Gruppen basiert. PRNGs basierend auf zufälligen Überdeckungen, auch MSTg genannt, zeigten sich bisher zu einer bestimmten Klasse von Gruppen als höchst effizient und produzierten qualitativ hochwertige zufällige Bit-Sequenzen. Eine sehr komplexe Folge von aufwendigen Zufälligkeits-Tests zeigte durch Nutzung der NIST Statistical Test Suite und Diehard Battery of Test die starken Eigenschaften der neuen Methodik. Noch wichtiger ist allerdings, dass wir Beweise erbringen können, dass diese Klasse von Generatoren adäquat für kryptographische Anwendungen sind. Schließlich fügen wir noch Daten über die Effizienz der Generatoren an und schlagen eine Methode zur praktischen Anwendung vor. [1] W. Diffie and M. E. Hellman, New Directions in Cryptography, IEEE Trans. on Inform. Theory, IT-22(6) (1976), 644–654. [2] S. S. Magliveras, B. A. Oberg and A. J. Surkan, A New Random Number Generator from Permutation Groups, In Rend. del Sem. Matemat. e Fis. di Milano, LIV (1984), 203–223. [3] S. S. Magliveras, A cryptosystem from logarithmic signatures of finite groups, in Proceedings of the 29’th Midwest Symposium on Circuits and Systems, Elsevier Publ. Co. (1986), 972–975. [4] S. S. Magliveras and N.D. Memon, Properties of Cryptosystem PGM, Advances in Cryptology, Lecture Notes in Comp. Sc., Springer-Verlag, 435 (1989), 447–460. [5] S. S. Magliveras and N.D. Memon, Random Permutations from Logarithmic Signatures, Computing in the 90’s, First Great Lakes Comp. Sc. Conf., Lecture Notes in Computer Science, Springer-Verlag, 507 (1989), 91–97. [6] S. S. Magliveras, Tran van Trung and D.R. Stinson, New approaches to designing public key cryptosystems using one-way functions and trap-doors in finite groups, J. of Cryptology, 15 (2002), 285–297. [7] W. Lempken, S. S. Magliveras, Tran van Trung and W. Wei, A public key cryptosystem based on non-abelian finite groups, J. of Cryptology, 22 (2009), 62–74

Cryptanalysis of the MST_3 Public Key Cryptosystem

In this paper we describe a cryptanalysis of MST_3, a public key cryptosystem based on non-commutative groups recently proposed by Lempken, Magliveras, van Trung and Wei

A Public Key Cryptosystem Based on Non-abelian Finite Groups

Abstract We present a new approach to designing public-key cryptosystems, based on covers and logarithmic signatures of nonabelian finite groups. Initially, we describe a generic version of the system for a large class of groups. We then propose a class of 2-groups and argue heuristically about the system's security. The system is scalable, and the proposed underlying group, represented as a matrix group, affords significant space and time efficiency

Massive torsion modes, chiral gravity, and the Adler-Bell-Jackiw anomaly

Regularization of quantum field theories introduces a mass scale which breaks axial rotational and scaling invariances. We demonstrate from first principles that axial torsion and torsion trace modes have non-transverse vacuum polarization tensors, and become massive as a result. The underlying reasons are similar to those responsible for the Adler-Bell-Jackiw (ABJ) and scaling anomalies. Since these are the only torsion components that can couple minimally to spin 1/2 particles, the anomalous generation of masses for these modes, naturally of the order of the regulator scale, may help to explain why torsion and its associated effects, including CPT violation in chiral gravity, have so far escaped detection. As a simpler manifestation of the reasons underpinning the ABJ anomaly than triangle diagrams, the vacuum polarization demonstration is also pedagogically useful. In addition it is shown that the teleparallel limit of a Weyl fermion theory coupled only to the left-handed spin connection leads to a counter term which is the Samuel-Jacobson-Smolin action of chiral gravity in four dimensions.Comment: 7 pages, RevTeX fil

A Digital Signature Scheme Based on MST

As special types of factorization of finite groups, logarithmic signature and cover have been used as the main components of cryptographic keys for secret key cryptosystems such as PGM and public key cryptosystems like MST1, MST2, and MST3. Recently, Svaba et. al proposed a revised MST3 encryption scheme with greater security. Meanwhile, they put forward an idea of constructing signature schemes on the basis of logarithmic signatures and random covers. In this paper, we firstly design a secure digital signature scheme based on logarithmic signatures and random covers. In order to complete the task, we devise a new encryption scheme based on MST3 cryptosystems