Resisting Key-Extraction and Code-Compression: a Secure Implementation of the HFE Signature Scheme in the White-Box Model

Cryptography is increasingly deployed in applications running on open devices in which the software is extremely vulnerable to attacks, since the attacker has complete control over the execution platform and the software implementation itself. This creates a challenge for cryptography: design implementations of cryptographic algorithms that are secure, not only in the black-box model, but also in this attack context that is referred to as the white-box adversary model. Moreover, emerging applications such as mobile payment, mobile contract signing or blockchain-based technologies have created a need for white-box implementations of public-key cryptography, and especially of signature algorithms. However, while many attempts were made to construct white-box implementations of block-ciphers, almost no white-box implementations have been published for what concerns asymmetric schemes. We present here a concrete white-box implementation of the well-known HFE signature algorithm for a specific set of internal polynomials. For a security level $2^{80}$, the public key size is approximately 62.5 MB and the white-box implementation of the signature algorithm has a size approximately 256 GB

Contributions à la cryptographie en boîte-blanche : modèles et constructions algébriques

Due to the democratization of technologiessuch as mobile payment or the soaring of blockchaintechnologies, there is a growing need for secureimplementations of standardized algorithms in thewhite-box model. In spite of this, there are too fewsecure designs published in the literature. To avoidrelying on hidden design implementations to provideany security in the white-box model, moreimplementations designs and techniques have to beexplored.This thesis begins with a guide to white-boxcryptography. Its goal is to revise, precise or correctwhite-box models, security notions andconstructions that have emerged in the state of theart since the introduction of the concept. We notablyclarify the Remote-Access White-Box model and theHardware Module White-Box and contextualize themin the general cryptographic literature.We then explore white-box implementations of theAES by first synthesizing the knownimplementations techniques and their flaws, andthen proposing a new solution based on polynomialrepresentations, for which we propose a securityanalysis and a challenge implementation. The lastpart of this thesis focuses on the implementation ofmultivariate cryptographic primitives in thewhite-box model. After introducing succinctlymultivariate cryptography, we motivate the studyof this branch of public key cryptography in thewhite-box context. We propose the firstimplementation technique of the HFE family ofsignature algorithms, for which we propose anextensive security analysis and a challengeimplementation. Finally, to propose otherperspectives on multivariate white-boxcryptography, we also propose an incompressiblestream cipher adapted from QUADDu fait de la démocratisation detechnologies telles que le paiement par mobile oul'essor des technologies basées sur la blockchain, lesbesoins d'implémentations sécurisées dans le modèleboîte blanche d'algorithmes standardisés sont de plusen plus conséquents dans l'industrie. Malgré cesbesoins, très peu de nouveaux designs sont proposésdans la littérature. Pour ne pas avoir à utiliser desimplémentations aux designs non publics, denouvelles techniques d'implémentations doivent êtreproposées et étudiées.Ce manuscrit commence par un guide pour lacryptographie boîte blanche. Son but est de réviser,préciser ou corriger les modèles boîte blanche, lesnotions de sécurité et les constructions qui ontémergé dans l'état-de-l'art depuis l'introduction duconcept. Notamment, nous clarifions les modèles'Remote-Access' et 'Hardware-Module' et lescontextualisons dans la littérature cryptographique ausens large.Nous explorons ensuite les implémentations boîteblanche de l'AES en synthétisant tout d'abord lesimplémentations connues et leurs failles. Nousproposons ensuite une nouvelle implémentation del'AES pour laquelle nous proposons une analyse desécurité et un challenge. La dernière partie de cettethèse est consacrée à l'étude de l'implémentationdes primitives à base de cryptographie multivariée.Après une introduction succincte à la cryptographiemultivariée, nous motivons l'utilisation de lacryptographie multivariée dans le modèle boîteblanche. Nous proposons ensuite la premièreimplémentation boîte blanche de la famille designature HFE, pour laquelle nous proposons uneanalyse de sécurité et un challenge. Enfin, pourproposer d'autres idées basées sur la cryptographiemultivariée, nous proposons un chiffrement à flotincompressible basé sur QUAD

Contributions à la cryptographie en boîte-blanche : modèles et constructions algébriques

Du fait de la démocratisation detechnologies telles que le paiement par mobile oul'essor des technologies basées sur la blockchain, lesbesoins d'implémentations sécurisées dans le modèleboîte blanche d'algorithmes standardisés sont de plusen plus conséquents dans l'industrie. Malgré cesbesoins, très peu de nouveaux designs sont proposésdans la littérature. Pour ne pas avoir à utiliser desimplémentations aux designs non publics, denouvelles techniques d'implémentations doivent êtreproposées et étudiées.Ce manuscrit commence par un guide pour lacryptographie boîte blanche. Son but est de réviser,préciser ou corriger les modèles boîte blanche, lesnotions de sécurité et les constructions qui ontémergé dans l'état-de-l'art depuis l'introduction duconcept. Notamment, nous clarifions les modèles'Remote-Access' et 'Hardware-Module' et lescontextualisons dans la littérature cryptographique ausens large.Nous explorons ensuite les implémentations boîteblanche de l'AES en synthétisant tout d'abord lesimplémentations connues et leurs failles. Nousproposons ensuite une nouvelle implémentation del'AES pour laquelle nous proposons une analyse desécurité et un challenge. La dernière partie de cettethèse est consacrée à l'étude de l'implémentationdes primitives à base de cryptographie multivariée.Après une introduction succincte à la cryptographiemultivariée, nous motivons l'utilisation de lacryptographie multivariée dans le modèle boîteblanche. Nous proposons ensuite la premièreimplémentation boîte blanche de la famille designature HFE, pour laquelle nous proposons uneanalyse de sécurité et un challenge. Enfin, pourproposer d'autres idées basées sur la cryptographiemultivariée, nous proposons un chiffrement à flotincompressible basé sur QUAD.Due to the democratization of technologiessuch as mobile payment or the soaring of blockchaintechnologies, there is a growing need for secureimplementations of standardized algorithms in thewhite-box model. In spite of this, there are too fewsecure designs published in the literature. To avoidrelying on hidden design implementations to provideany security in the white-box model, moreimplementations designs and techniques have to beexplored.This thesis begins with a guide to white-boxcryptography. Its goal is to revise, precise or correctwhite-box models, security notions andconstructions that have emerged in the state of theart since the introduction of the concept. We notablyclarify the Remote-Access White-Box model and theHardware Module White-Box and contextualize themin the general cryptographic literature.We then explore white-box implementations of theAES by first synthesizing the knownimplementations techniques and their flaws, andthen proposing a new solution based on polynomialrepresentations, for which we propose a securityanalysis and a challenge implementation. The lastpart of this thesis focuses on the implementation ofmultivariate cryptographic primitives in thewhite-box model. After introducing succinctlymultivariate cryptography, we motivate the studyof this branch of public key cryptography in thewhite-box context. We propose the firstimplementation technique of the HFE family ofsignature algorithms, for which we propose anextensive security analysis and a challengeimplementation. Finally, to propose otherperspectives on multivariate white-boxcryptography, we also propose an incompressiblestream cipher adapted from QUA