Design et implémentation sur FPGA d'un algorithme DES

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Sécurité polynomiale en cryptographie

Dans ce mémoire, nous proposons des protocoles cryptographiques d'échange de clef, de mise en gage, et de transfert équivoque. Un premier protocole de transfert équivoque, primitive cryptographique universelle pour le calcul multi-parties, s'inspire du protocole d'échange de clef par puzzle de Merkle, et améliore les résultats existants. Puis, nous montrons qu'il est possible de construire ces mêmes primitives cryptographiques sans l'hypothèse des fonctions à sens unique, mais avec le problème 3SUM. Ce problème simple ---dans une liste de n entiers, en trouver trois dont la somme a une certaine valeur--- a une borne inférieure conjecturée de Omega(n^2).

Key Agreement Against Quantum Adversaries

Key agreement is a cryptographic scenario between two legitimate parties, who need to establish a common secret key over a public authenticated channel, and an eavesdropper who intercepts all their messages in order to learn the secret. We consider query complexity in which we count only the number of evaluations (queries) of a given black-box function, and classical communication channels. Ralph Merkle provided the first unclassified scheme for secure communications over insecure channels. When legitimate parties are willing to ask O(N) queries for some parameter N, any classical eavesdropper needs Omega(N^2) queries before being able to learn their secret, which is is optimal. However, a quantum eavesdropper can break this scheme in O(N) queries. Furthermore, it was conjectured that any scheme, in which legitimate parties are classical, could be broken in O(N) quantum queries. In this thesis, we introduce protocols à la Merkle that fall into two categories. When legitimate parties are restricted to use classical computers, we offer the first secure classical scheme. It requires Omega(N^{13/12}) queries of a quantum eavesdropper to learn the secret. We give another protocol having security of Omega(N^{7/6}) queries. Furthermore, for any k>= 2, we introduce a classical protocol in which legitimate parties establish a secret in O(N) queries while the optimal quantum eavesdropping strategy requires Theta(N^{1/2+k/{k+1}}) queries, approaching Theta(N^{3/2}) when k increases. When legitimate parties are provided with quantum computers, we present two quantum protocols improving on the best known scheme before this work. Furthermore, for any k>= 2, we give a quantum protocol in which legitimate parties establish a secret in O(N) queries while the optimal quantum eavesdropping strategy requires Theta(N^{1+{k}/{k+1}})} queries, approaching Theta(N^{2}) when k increases.

Complexité de la communication sur un canal avec délai

Nous introduisons un nouveau modèle de la communication à deux parties dans lequel nous nous intéressons au temps que prennent deux participants à effectuer une tâche à travers un canal avec délai d. Nous établissons quelques bornes supérieures et inférieures et comparons ce nouveau modèle aux modèles de communication classiques et quantiques étudiés dans la littérature. Nous montrons que la complexité de la communication d’une fonction sur un canal avec délai est bornée supérieurement par sa complexité de la communication modulo un facteur multiplicatif d/ lg d. Nous présentons ensuite quelques exemples de fonctions pour lesquelles une stratégie astucieuse se servant du temps mort confère un avantage sur une implémentation naïve d’un protocole de communication optimal en terme de complexité de la communication. Finalement, nous montrons qu’un canal avec délai permet de réaliser un échange de bit cryptographique, mais que, par lui-même, est insuffisant pour réaliser la primitive cryptographique de transfert équivoque.

From Classical to Quantum Secret Sharing

Dans ce mémoire, nous nous pencherons tout particulièrement sur une primitive cryptographique connue sous le nom de partage de secret. Nous explorerons autant le domaine classique que le domaine quantique de ces primitives, couronnant notre étude par la présentation d’un nouveau protocole de partage de secret quantique nécessitant un nombre minimal de parts quantiques c.-à-d. une seule part quantique par participant. L’ouverture de notre étude se fera par la présentation dans le chapitre préliminaire d’un survol des notions mathématiques sous-jacentes à la théorie de l’information quantique ayant pour but primaire d’établir la notation utilisée dans ce manuscrit, ainsi que la présentation d’un précis des propriétés mathématique de l’état de Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) fréquemment utilisé dans les domaines quantiques de la cryptographie et des jeux de la communication. Mais, comme nous l’avons mentionné plus haut, c’est le domaine cryptographique qui restera le point focal de cette étude. Dans le second chapitre, nous nous intéresserons à la théorie des codes correcteurs d’erreurs classiques et quantiques qui seront à leur tour d’extrême importances lors de l’introduction de la théorie quantique du partage de secret dans le chapitre suivant. Dans la première partie du troisième chapitre, nous nous concentrerons sur le domaine classique du partage de secret en présentant un cadre théorique général portant sur la construction de ces primitives illustrant tout au long les concepts introduits par des exemples présentés pour leurs intérêts autant historiques que pédagogiques. Ceci préparera le chemin pour notre exposé sur la théorie quantique du partage de secret qui sera le focus de la seconde partie de ce même chapitre. Nous présenterons alors les théorèmes et définitions les plus généraux connus à date portant sur la construction de ces primitives en portant un intérêt particulier au partage quantique à seuil. Nous montrerons le lien étroit entre la théorie quantique des codes correcteurs d’erreurs et celle du partage de secret. Ce lien est si étroit que l’on considère les codes correcteurs d’erreurs quantiques étaient de plus proches analogues aux partages de secrets quantiques que ne leur étaient les codes de partage de secrets classiques. Finalement, nous présenterons un de nos trois résultats parus dans A. Broadbent, P.-R. Chouha, A. Tapp (2009); un protocole sécuritaire et minimal de partage de secret quantique a seuil (les deux autres résultats dont nous traiterons pas ici portent sur la complexité de la communication et sur la simulation classique de l’état de GHZ).

Practical and Foundational Aspects of Secure Computation

Il y a des problemes qui semblent impossible a resoudre sans l'utilisation d'un tiers parti honnete. Comment est-ce que deux millionnaires peuvent savoir qui est le plus riche sans dire a l'autre la valeur de ses biens ? Que peut-on faire pour prevenir les collisions de satellites quand les trajectoires sont secretes ? Comment est-ce que les chercheurs peuvent apprendre les liens entre des medicaments et des maladies sans compromettre les droits prives du patient ? Comment est-ce qu'une organisation peut ecmpecher le gouvernement d'abuser de l'information dont il dispose en sachant que l'organisation doit n'avoir aucun acces a cette information ? Le Calcul multiparti, une branche de la cryptographie, etudie comment creer des protocoles pour realiser de telles taches sans l'utilisation d'un tiers parti honnete. Les protocoles doivent etre prives, corrects, efficaces et robustes. Un protocole est prive si un adversaire n'apprend rien de plus que ce que lui donnerait un tiers parti honnete. Un protocole est correct si un joueur honnete recoit ce que lui donnerait un tiers parti honnete. Un protocole devrait bien sur etre efficace. Etre robuste correspond au fait qu'un protocole marche meme si un petit ensemble des joueurs triche. On demontre que sous l'hypothese d'un canal de diusion simultane on peut echanger la robustesse pour la validite et le fait d'etre prive contre certains ensembles d'adversaires. Le calcul multiparti a quatre outils de base : le transfert inconscient, la mise en gage, le partage de secret et le brouillage de circuit. Les protocoles du calcul multiparti peuvent etre construits avec uniquements ces outils. On peut aussi construire les protocoles a partir d'hypoth eses calculatoires. Les protocoles construits a partir de ces outils sont souples et peuvent resister aux changements technologiques et a des ameliorations algorithmiques. Nous nous demandons si l'efficacite necessite des hypotheses de calcul. Nous demontrons que ce n'est pas le cas en construisant des protocoles efficaces a partir de ces outils de base. Cette these est constitue de quatre articles rediges en collaboration avec d'autres chercheurs. Ceci constitue la partie mature de ma recherche et sont mes contributions principales au cours de cette periode de temps. Dans le premier ouvrage presente dans cette these, nous etudions la capacite de mise en gage des canaux bruites. Nous demontrons tout d'abord une limite inferieure stricte qui implique que contrairement au transfert inconscient, il n'existe aucun protocole de taux constant pour les mises en gage de bit. Nous demontrons ensuite que, en limitant la facon dont les engagements peuvent etre ouverts, nous pouvons faire mieux et meme un taux constant dans certains cas. Ceci est fait en exploitant la notion de cover-free families . Dans le second article, nous demontrons que pour certains problemes, il existe un echange entre robustesse, la validite et le prive. Il s'effectue en utilisant le partage de secret veriable, une preuve a divulgation nulle, le concept de fantomes et une technique que nous appelons les balles et les bacs. Dans notre troisieme contribution, nous demontrons qu'un grand nombre de protocoles dans la litterature basee sur des hypotheses de calcul peuvent etre instancies a partir d'une primitive appelee Transfert Inconscient Veriable, via le concept de Transfert Inconscient Generalise. Le protocole utilise le partage de secret comme outils de base. Dans la derniere publication, nous counstruisons un protocole efficace avec un nombre constant de rondes pour le calcul a deux parties. L'efficacite du protocole derive du fait qu'on remplace le coeur d'un protocole standard par une primitive qui fonctionne plus ou moins bien mais qui est tres peu couteux. On protege le protocole contre les defauts en utilisant le concept de privacy amplication .

On Space-Time Trade-Off for Montgomery Multipliers over Finite Fields

La multiplication dans le corps de Galois à 2^m éléments (i.e. GF(2^m)) est une opérations très importante pour les applications de la théorie des correcteurs et de la cryptographie. Dans ce mémoire, nous nous intéressons aux réalisations parallèles de multiplicateurs dans GF(2^m) lorsque ce dernier est généré par des trinômes irréductibles. Notre point de départ est le multiplicateur de Montgomery qui calcule A(x)B(x)x^(-u) efficacement, étant donné A(x), B(x) in GF(2^m) pour u choisi judicieusement. Nous étudions ensuite l'algorithme diviser pour régner PCHS qui permet de partitionner les multiplicandes d'un produit dans GF(2^m) lorsque m est impair. Nous l'appliquons pour la partitionnement de A(x) et de B(x) dans la multiplication de Montgomery A(x)B(x)x^(-u) pour GF(2^m) même si m est pair. Basé sur cette nouvelle approche, nous construisons un multiplicateur dans GF(2^m) généré par des trinôme irréductibles. Une nouvelle astuce de réutilisation des résultats intermédiaires nous permet d'éliminer plusieurs portes XOR redondantes. Les complexités de temps (i.e. le délais) et d'espace (i.e. le nombre de portes logiques) du nouveau multiplicateur sont ensuite analysées: 1. Le nouveau multiplicateur demande environ 25% moins de portes logiques que les multiplicateurs de Montgomery et de Mastrovito lorsque GF(2^m) est généré par des trinômes irréductible et m est suffisamment grand. Le nombre de portes du nouveau multiplicateur est presque identique à celui du multiplicateur de Karatsuba proposé par Elia. 2. Le délai de calcul du nouveau multiplicateur excède celui des meilleurs multiplicateurs d'au plus deux évaluations de portes XOR. 3. Nous determinons le délai et le nombre de portes logiques du nouveau multiplicateur sur les deux corps de Galois recommandés par le National Institute of Standards and Technology (NIST). Nous montrons que notre multiplicateurs contient 15% moins de portes logiques que les multiplicateurs de Montgomery et de Mastrovito au coût d'un délai d'au plus une porte XOR supplémentaire. De plus, notre multiplicateur a un délai d'une porte XOR moindre que celui du multiplicateur d'Elia au coût d'une augmentation de moins de 1% du nombre total de portes logiques.

Étude comparative des moyens de paiement

L’époque où il n'existait qu'un choix restreint de modes de paiement est à présent révolue. En effet, de l'apparition de la monnaie fiduciaire aux trente glorieuses, ils n’avaient que très peu évolué. Or, depuis quelques décennies, nous assistons à l’apparition de nombreux moyens de paiement, tous plus différents les uns des autres. Notre présente étude a non seulement pour objectif d’en confronter les principaux en vue d’identifier le plus adéquat face à une situation donnée, mais aussi et surtout de discuter de l’anonymat que ces derniers procurent ou non. Pour ce faire, nous avons d’abord présenté chacun de ces moyens tout en en définissant les fonctionnements et les technologies. Par la suite, une comparaison par l'entremise d'une analyse indépendante a été réalisée sur la base d’éléments précis tels que la protection de la vie privée ou encore les propriétés ACID. Des critères omme la confiance des utilisateurs (sécurité) et les attentes qu'ont les institutions financières vis-à-vis de ces derniers ont aussi été considérés. Et enfin, trois méthodes de paiement qui sont en réalité des approches-solutions pour pallier aux problèmes liés à l’anonymat que présentent certains principaux moyens de paiement connus, ont été présentées à leur tour. Ainsi, le premier système de paiement proposé est axé sur les comptes bancaires anonymes, tandis que le second est, lui inspiré du système des jetons; Si bien qu’une combinaison de ces deux approches a conduit à une troisième, afin d’en regrouper les avantages.

Studies on the Effect of Randomness on the Synchronization of Coupled Systems and on the Dynamics of Intermittently driven systems

Nonlinear dynamics has emerged into a prominent area of research in the past few Decades.Turbulence, Pattern formation,Multistability etc are some of the important areas of research in nonlinear dynamics apart from the study of chaos.Chaos refers to the complex evolution of a deterministic system, which is highly sensitive to initial conditions. The study of chaos theory started in the modern sense with the investigations of Edward Lorentz in mid 60's. Later developments in this subject provided systematic development of chaos theory as a science of deterministic but complex and unpredictable dynamical systems. This thesis deals with the effect of random fluctuations with its associated characteristic timescales on chaos and synchronization. Here we introduce the concept of noise, and two familiar types of noise are discussed. The classifications and representation of white and colored noise are introduced. Based on this we introduce the concept of randomness that we deal with as a variant of the familiar concept of noise. The dynamical systems introduced are the Rossler system, directly modulated semiconductor lasers and the Harmonic oscillator. The directly modulated semiconductor laser being not a much familiar dynamical system, we have included a detailed introduction to its relevance in Chaotic encryption based cryptography in communication. We show that the effect of a fluctuating parameter mismatch on synchronization is to destroy the synchronization. Further we show that the relation between synchronization error and timescales can be found empirically but there are also cases where this is not possible. Studies show that under the variation of the parameters, the system becomes chaotic, which appears to be the period doubling route to chaos.

A Cryptosystem Using the Concepts of Algebraic Geometric Code

Cryptosystem using linear codes was developed in 1978 by Mc-Eliece. Later in 1985 Niederreiter and others developed a modified version of cryptosystem using concepts of linear codes. But these systems were not used frequently because of its larger key size. In this study we were designing a cryptosystem using the concepts of algebraic geometric codes with smaller key size. Error detection and correction can be done efficiently by simple decoding methods using the cryptosystem developed. Approach: Algebraic geometric codes are codes, generated using curves. The cryptosystem use basic concepts of elliptic curves cryptography and generator matrix. Decrypted information takes the form of a repetition code. Due to this complexity of decoding procedure is reduced. Error detection and correction can be carried out efficiently by solving a simple system of linear equations, there by imposing the concepts of security along with error detection and correction. Results: Implementation of the algorithm is done on MATLAB and comparative analysis is also done on various parameters of the system. Attacks are common to all cryptosystems. But by securely choosing curve, field and representation of elements in field, we can overcome the attacks and a stable system can be generated. Conclusion: The algorithm defined here protects the information from an intruder and also from the error in communication channel by efficient error correction methods.

Data Security in Fault Tolerant Hard Real Time Systems- Use of Time Dependant Multiple Random Cipher Code

The present research problem is to study the existing encryption methods and to develop a new technique which is performance wise superior to other existing techniques and at the same time can be very well incorporated in the communication channels of Fault Tolerant Hard Real time systems along with existing Error Checking / Error Correcting codes, so that the intention of eaves dropping can be defeated. There are many encryption methods available now. Each method has got it's own merits and demerits. Similarly, many crypt analysis techniques which adversaries use are also available.

An Approach Towards The Development Of An Efficient Symmetric Key Encryption Scheme

n the recent years protection of information in digital form is becoming more important. Image and video encryption has applications in various fields including Internet communications, multimedia systems, medical imaging, Tele-medicine and military communications. During storage as well as in transmission, the multimedia information is being exposed to unauthorized entities unless otherwise adequate security measures are built around the information system. There are many kinds of security threats during the transmission of vital classified information through insecure communication channels. Various encryption schemes are available today to deal with information security issues. Data encryption is widely used to protect sensitive data against the security threat in the form of “attack on confidentiality”. Secure transmission of information through insecure communication channels also requires encryption at the sending side and decryption at the receiving side. Encryption of large text message and image takes time before they can be transmitted, causing considerable delay in successive transmission of information in real-time. In order to minimize the latency, efficient encryption algorithms are needed. An encryption procedure with adequate security and high throughput is sought in multimedia encryption applications. Traditional symmetric key block ciphers like Data Encryption Standard (DES), Advanced Encryption Standard (AES) and Escrowed Encryption Standard (EES) are not efficient when the data size is large. With the availability of fast computing tools and communication networks at relatively lower costs today, these encryption standards appear to be not as fast as one would like. High throughput encryption and decryption are becoming increasingly important in the area of high-speed networking. Fast encryption algorithms are needed in these days for high-speed secure communication of multimedia data. It has been shown that public key algorithms are not a substitute for symmetric-key algorithms. Public key algorithms are slow, whereas symmetric key algorithms generally run much faster. Also, public key systems are vulnerable to chosen plaintext attack. In this research work, a fast symmetric key encryption scheme, entitled “Matrix Array Symmetric Key (MASK) encryption” based on matrix and array manipulations has been conceived and developed. Fast conversion has been achieved with the use of matrix table look-up substitution, array based transposition and circular shift operations that are performed in the algorithm. MASK encryption is a new concept in symmetric key cryptography. It employs matrix and array manipulation technique using secret information and data values. It is a block cipher operated on plain text message (or image) blocks of 128 bits using a secret key of size 128 bits producing cipher text message (or cipher image) blocks of the same size. This cipher has two advantages over traditional ciphers. First, the encryption and decryption procedures are much simpler, and consequently, much faster. Second, the key avalanche effect produced in the ciphertext output is better than that of AES.

A new fast stream cipher: MAJE4

A new fast stream cipher, MAJE4 is designed and developed with a variable key size of 128-bit or 256-bit. The randomness property of the stream cipher is analysed by using the statistical tests. The performance evaluation of the stream cipher is done in comparison with another fast stream cipher called JEROBOAM. The focus is to generate a long unpredictable key stream with better performance, which can be used for cryptographic applications.

A Novel Fast Hybrid Cryptographic System: MARS4

A novel and fast technique for cryptographic applications is designed and developed using the symmetric key algorithm “MAJE4” and the popular asymmetric key algorithm “RSA”. The MAJE4 algorithm is used for encryption / decryption of files since it is much faster and occupies less memory than RSA. The RSA algorithm is used to solve the problem of key exchange as well as to accomplish scalability and message authentication. The focus is to develop a new hybrid system called MARS4 by combining the two cryptographic methods with an aim to get the advantages of both. The performance evaluation of MARS4 is done in comparison with MAJE4 and RSA.

Bildbasierte Authentifizierung und Verschlüsselung

Bildbasierte Authentifizierung und Verschlüsselung: Identitätsbasierte Kryptographie (oft auch identity Based Encryption, IBE) ist eine Variation der asymmetrischen Schlüsselverfahren, bei der der öffentliche Schlüssel des Anwenders eine beliebig wählbare Zeichenfolge sein darf, die dem Besitzer offensichtlich zugeordnet werden kann. Adi Shamir stellte 1984 zunächst ein solches Signatursystem vor. In der Literatur wird dabei als öffentlicher Schlüssel meist die Email-Adresse oder eine Sozialversicherungsnummer genannt. Der Preis für die freie Schlüsselwahl ist die Einbeziehung eines vertrauenswürdigen Dritten, genannt Private Key Generator, der mit seinem privaten Generalschlüssel den privaten Schlüssel des Antragstellers generiert. Mit der Arbeit von Boneh und Franklin 2001 zum Einsatz der Weil-Paarbildung über elliptischen Kurven wurde IBE auf eine sichere und praktikable Grundlage gestellt. In dieser Arbeit wird nach einer allgemeinen Übersicht über Probleme und Lösungsmöglichkeiten für Authentifizierungsaufgaben im zweiten Teil als neue Idee der Einsatz eines Bildes des Anwenders als öffentlicher Schlüssel vorgeschlagen. Dazu wird der Ablauf der Schlüsselausgabe, die Bestellung einer Dienstleistung, z. B. die Ausstellung einer personengebundenen Fahrkarte, sowie deren Kontrolle dargestellt. Letztere kann offline auf dem Gerät des Kontrolleurs erfolgen, wobei Ticket und Bild auf dem Handy des Kunden bereitliegen. Insgesamt eröffnet sich dadurch die Möglichkeit einer Authentifizierung ohne weitere Preisgabe einer Identität, wenn man davon ausgeht, dass das Bild einer Person angesichts allgegenwärtiger Kameras sowieso öffentlich ist. Die Praktikabilität wird mit einer Implementierung auf der Basis des IBE-JCA Providers der National University of Ireland in Maynooth demonstriert und liefert auch Aufschluss auf das in der Praxis zu erwartende Laufzeitverhalten.