一类基于混沌函数的分组密码的安全性评估

评估了一类基于混沌函数的分组密码（generalized Feistel structure,简称GFS）抵抗差分密码分析和线性密码分析的能力，如果轮函数是双射且它的最大差分特征概率和线性逼近概率分别是p和q，则r轮GFS的最大差分特征和线性逼近的概率分别以p^r-1和q^r-1为其上界。

对一个基于细胞自动机的分组密码变形的分析

Subhayan Sen等人提出了一个基于细胞自动机的分组密码系统(cellular automata based cryptosystem,简称CAC),但并没有给出CAC的某些构造模块的细节描述,从应用角度考虑,将其中的一个模块固定得到CAC的变形--SMCAC(samemajor-CACAC).对SMCAC进行密码分析,结果表明,CAC的这种变形在选择明文攻击下是极不安全的.对SMCAC进行分析的意义在于,知道CAC的具体设计细节以后,借鉴对SMCAC的分析,有可能对CAC密码系统本身的安全性造成威胁.

对低轮AES-256的相关密钥-不可能差分密码分析

研究AES-256抵抗相关密钥-不可能差分密码分析的能力.首先给出相关密钥的差分,该差分可以扩展到8轮(甚至更多轮)子密钥差分;然后构造出一个5.5轮的相关密钥不可能差分特征.最后,给出一个对7轮AES-256的攻击和4个对8轮AES-256的攻击.

AC分组密码的差分和线性密码分析

讨论AC分组密码对差分和线性密码分析的安全性，通过估计3轮AC的差分活动盒子的个数下界和12轮AC的线性活动盒子的个数下界，本文得到AC的12轮差分特征概率不大于2－128和线性逼近优势不大于2－67，因此，AC分组密码对差分和线性密码分析是安全的。

不可能差分密码分析研究进展

不可能差分分析作为差分分析的一种变体,是一种简单有效的密码分析方法,也是目前最常用的密码分析方法之一.该方法一经提出就得到了广泛应用,被用于分析大量的算法和密码结构.尤其是近年来对AES的攻击,得到了一系列非常好的攻击结果,使得不可能差分分析已成为对AES最有效的攻击方法之一.系统介绍了不可能差分分析的原理、常用技巧和攻击方法,并总结了目前的研究现状和已取得的攻击结果.最后,分析了不可能差分攻击的优缺点及其在设计和分析分组密码方面的作用.

对低轮SAFER++的差分-非线性密码分析

SAFER++是进入NESSIE第2轮评估的7个分组算法之一。采用差分密码分析和非线性密码分析相结合的方法对4轮、5轮和6轮SAFER++进行分析，结果表明：6轮SAFER++对这种攻击方法不免疫；攻击4轮和5轮SAFER++时，与已有结果相比，攻击复杂度大大减小。攻击对2\+{250}个256比特长度的密钥有效。

关于Noekeon分组密码

Noekeon是NESSIE公布的17个候选算法之一,讨论了Noekeon各个模块的密码特性及它们在整个密码中的作用,从中体会Noekeon的设计技巧.

The BRUTUS Automatic Cryptanalytic Framework: Testing CAESAR Authenticated Encryption Candidates for Weaknesses

This report summarizes our results from security analysis covering all 57 competitions for authenticated encryption: security, applicability, and robustness (CAESAR) first-round candidates and over 210 implementations. We have manually identified security issues with three candidates, two of which are more serious, and these ciphers have been withdrawn from the competition. We have developed a testing framework, BRUTUS, to facilitate automatic detection of simple security lapses and susceptible statistical structures across all ciphers. From this testing, we have security usage notes on four submissions and statistical notes on a further four. We highlight that some of the CAESAR algorithms pose an elevated risk if employed in real-life protocols due to a class of adaptive-chosen-plaintext attacks. Although authenticated encryption with associated data are often defined (and are best used) as discrete primitives that authenticate and transmit only complete messages, in practice, these algorithms are easily implemented in a fashion that outputs observable ciphertext data when the algorithm has not received all of the (attacker-controlled) plaintext. For an implementor, this strategy appears to offer seemingly harmless and compliant storage and latency advantages. If the algorithm uses the same state for secret keying information, encryption, and integrity protection, and the internal mixing permutation is not cryptographically strong, an attacker can exploit the ciphertext–plaintext feedback loop to reveal secret state information or even keying material. We conclude that the main advantages of exhaustive, automated cryptanalysis are that it acts as a very necessary sanity check for implementations and gives the cryptanalyst insights that can be used to focus more specific attack methods on given candidates.

Modellbildung in der algebraischen Kryptoanalyse

In der algebraischen Kryptoanalyse werden moderne Kryptosysteme als polynomielle, nichtlineare Gleichungssysteme dargestellt. Das Lösen solcher Gleichungssysteme ist NP-hart. Es gibt also keinen Algorithmus, der in polynomieller Zeit ein beliebiges nichtlineares Gleichungssystem löst. Dennoch kann man aus modernen Kryptosystemen Gleichungssysteme mit viel Struktur generieren. So sind diese Gleichungssysteme bei geeigneter Modellierung quadratisch und dünn besetzt, damit nicht beliebig. Dafür gibt es spezielle Algorithmen, die eine Lösung solcher Gleichungssysteme finden. Ein Beispiel dafür ist der ElimLin-Algorithmus, der mit Hilfe von linearen Gleichungen das Gleichungssystem iterativ vereinfacht. In der Dissertation wird auf Basis dieses Algorithmus ein neuer Solver für quadratische, dünn besetzte Gleichungssysteme vorgestellt und damit zwei symmetrische Kryptosysteme angegriffen. Dabei sind die Techniken zur Modellierung der Chiffren von entscheidender Bedeutung, so das neue Techniken entwickelt werden, um Kryptosysteme darzustellen. Die Idee für das Modell kommt von Cube-Angriffen. Diese Angriffe sind besonders wirksam gegen Stromchiffren. In der Arbeit werden unterschiedliche Varianten klassifiziert und mögliche Erweiterungen vorgestellt. Das entstandene Modell hingegen, lässt sich auch erfolgreich auf Blockchiffren und auch auf andere Szenarien erweitern. Bei diesen Änderungen muss das Modell nur geringfügig geändert werden.

Mestre em Sistemas e Computação

In this work will applied the technique of Differential Cryptanalysis, introduced in 1990 by Biham and Shamir, on Papílio s cryptosystem, developed by Karla Ramos, to test and most importantly, to prove its relevance to other block ciphers such as DES, Blowfish and FEAL-N (X). This technique is based on the analysis of differences between plaintext and theirs respective ciphertext, in search of patterns that will assist in the discovery of the subkeys and consequently in the discovery of master key. These differences are obtained by XOR operations. Through this analysis, in addition to obtaining patterns of Pap´ılio, it search to obtain also the main characteristics and behavior of Papilio throughout theirs 16 rounds, identifying and replacing when necessary factors that can be improved in accordance with pre-established definitions of the same, thus providing greater security in the use of his algoritm

Matrix Designs and Methods for Secure and Efficient Compressed Sensing

The idea of balancing the resources spent in the acquisition and encoding of natural signals strictly to their intrinsic information content has interested nearly a decade of research under the name of compressed sensing. In this doctoral dissertation we develop some extensions and improvements upon this technique's foundations, by modifying the random sensing matrices on which the signals of interest are projected to achieve different objectives. Firstly, we propose two methods for the adaptation of sensing matrix ensembles to the second-order moments of natural signals. These techniques leverage the maximisation of different proxies for the quantity of information acquired by compressed sensing, and are efficiently applied in the encoding of electrocardiographic tracks with minimum-complexity digital hardware. Secondly, we focus on the possibility of using compressed sensing as a method to provide a partial, yet cryptanalysis-resistant form of encryption; in this context, we show how a random matrix generation strategy with a controlled amount of perturbations can be used to distinguish between multiple user classes with different quality of access to the encrypted information content. Finally, we explore the application of compressed sensing in the design of a multispectral imager, by implementing an optical scheme that entails a coded aperture array and Fabry-Pérot spectral filters. The signal recoveries obtained by processing real-world measurements show promising results, that leave room for an improvement of the sensing matrix calibration problem in the devised imager.

Contribución al estudio del criptoanálisis y diseño de los criptosistemas caóticos

The extraordinary increase of new information technologies, the development of Internet, the electronic commerce, the e-government, mobile telephony and future cloud computing and storage, have provided great benefits in all areas of society. Besides these, there are new challenges for the protection of information, such as the loss of confidentiality and integrity of electronic documents. Cryptography plays a key role by providing the necessary tools to ensure the safety of these new media. It is imperative to intensify the research in this area, to meet the growing demand for new secure cryptographic techniques. The theory of chaotic nonlinear dynamical systems and the theory of cryptography give rise to the chaotic cryptography, which is the field of study of this thesis. The link between cryptography and chaotic systems is still subject of intense study. The combination of apparently stochastic behavior, the properties of sensitivity to initial conditions and parameters, ergodicity, mixing, and the fact that periodic points are dense, suggests that chaotic orbits resemble random sequences. This fact, and the ability to synchronize multiple chaotic systems, initially described by Pecora and Carroll, has generated an avalanche of research papers that relate cryptography and chaos. The chaotic cryptography addresses two fundamental design paradigms. In the first paradigm, chaotic cryptosystems are designed using continuous time, mainly based on chaotic synchronization techniques; they are implemented with analog circuits or by computer simulation. In the second paradigm, chaotic cryptosystems are constructed using discrete time and generally do not depend on chaos synchronization techniques. The contributions in this thesis involve three aspects about chaotic cryptography. The first one is a theoretical analysis of the geometric properties of some of the most employed chaotic attractors for the design of chaotic cryptosystems. The second one is the cryptanalysis of continuos chaotic cryptosystems and finally concludes with three new designs of cryptographically secure chaotic pseudorandom generators. The main accomplishments contained in this thesis are: v Development of a method for determining the parameters of some double scroll chaotic systems, including Lorenz system and Chua’s circuit. First, some geometrical characteristics of chaotic system have been used to reduce the search space of parameters. Next, a scheme based on the synchronization of chaotic systems was built. The geometric properties have been employed as matching criterion, to determine the values of the parameters with the desired accuracy. The method is not affected by a moderate amount of noise in the waveform. The proposed method has been applied to find security flaws in the continuous chaotic encryption systems. Based on previous results, the chaotic ciphers proposed by Wang and Bu and those proposed by Xu and Li are cryptanalyzed. We propose some solutions to improve the cryptosystems, although very limited because these systems are not suitable for use in cryptography. Development of a method for determining the parameters of the Lorenz system, when it is used in the design of two-channel cryptosystem. The method uses the geometric properties of the Lorenz system. The search space of parameters has been reduced. Next, the parameters have been accurately determined from the ciphertext. The method has been applied to cryptanalysis of an encryption scheme proposed by Jiang. In 2005, Gunay et al. proposed a chaotic encryption system based on a cellular neural network implementation of Chua’s circuit. This scheme has been cryptanalyzed. Some gaps in security design have been identified. Based on the theoretical results of digital chaotic systems and cryptanalysis of several chaotic ciphers recently proposed, a family of pseudorandom generators has been designed using finite precision. The design is based on the coupling of several piecewise linear chaotic maps. Based on the above results a new family of chaotic pseudorandom generators named Trident has been designed. These generators have been specially designed to meet the needs of real-time encryption of mobile technology. According to the above results, this thesis proposes another family of pseudorandom generators called Trifork. These generators are based on a combination of perturbed Lagged Fibonacci generators. This family of generators is cryptographically secure and suitable for use in real-time encryption. Detailed analysis shows that the proposed pseudorandom generator can provide fast encryption speed and a high level of security, at the same time. El extraordinario auge de las nuevas tecnologías de la información, el desarrollo de Internet, el comercio electrónico, la administración electrónica, la telefonía móvil y la futura computación y almacenamiento en la nube, han proporcionado grandes beneficios en todos los ámbitos de la sociedad. Junto a éstos, se presentan nuevos retos para la protección de la información, como la suplantación de personalidad y la pérdida de la confidencialidad e integridad de los documentos electrónicos. La criptografía juega un papel fundamental aportando las herramientas necesarias para garantizar la seguridad de estos nuevos medios, pero es imperativo intensificar la investigación en este ámbito para dar respuesta a la demanda creciente de nuevas técnicas criptográficas seguras. La teoría de los sistemas dinámicos no lineales junto a la criptografía dan lugar a la ((criptografía caótica)), que es el campo de estudio de esta tesis. El vínculo entre la criptografía y los sistemas caóticos continúa siendo objeto de un intenso estudio. La combinación del comportamiento aparentemente estocástico, las propiedades de sensibilidad a las condiciones iniciales y a los parámetros, la ergodicidad, la mezcla, y que los puntos periódicos sean densos asemejan las órbitas caóticas a secuencias aleatorias, lo que supone su potencial utilización en el enmascaramiento de mensajes. Este hecho, junto a la posibilidad de sincronizar varios sistemas caóticos descrita inicialmente en los trabajos de Pecora y Carroll, ha generado una avalancha de trabajos de investigación donde se plantean muchas ideas sobre la forma de realizar sistemas de comunicaciones seguros, relacionando así la criptografía y el caos. La criptografía caótica aborda dos paradigmas de diseño fundamentales. En el primero, los criptosistemas caóticos se diseñan utilizando circuitos analógicos, principalmente basados en las técnicas de sincronización caótica; en el segundo, los criptosistemas caóticos se construyen en circuitos discretos u ordenadores, y generalmente no dependen de las técnicas de sincronización del caos. Nuestra contribución en esta tesis implica tres aspectos sobre el cifrado caótico. En primer lugar, se realiza un análisis teórico de las propiedades geométricas de algunos de los sistemas caóticos más empleados en el diseño de criptosistemas caóticos vii continuos; en segundo lugar, se realiza el criptoanálisis de cifrados caóticos continuos basados en el análisis anterior; y, finalmente, se realizan tres nuevas propuestas de diseño de generadores de secuencias pseudoaleatorias criptográficamente seguros y rápidos. La primera parte de esta memoria realiza un análisis crítico acerca de la seguridad de los criptosistemas caóticos, llegando a la conclusión de que la gran mayoría de los algoritmos de cifrado caóticos continuos —ya sean realizados físicamente o programados numéricamente— tienen serios inconvenientes para proteger la confidencialidad de la información ya que son inseguros e ineficientes. Asimismo una gran parte de los criptosistemas caóticos discretos propuestos se consideran inseguros y otros no han sido atacados por lo que se considera necesario más trabajo de criptoanálisis. Esta parte concluye señalando las principales debilidades encontradas en los criptosistemas analizados y algunas recomendaciones para su mejora. En la segunda parte se diseña un método de criptoanálisis que permite la identificaci ón de los parámetros, que en general forman parte de la clave, de algoritmos de cifrado basados en sistemas caóticos de Lorenz y similares, que utilizan los esquemas de sincronización excitador-respuesta. Este método se basa en algunas características geométricas del atractor de Lorenz. El método diseñado se ha empleado para criptoanalizar eficientemente tres algoritmos de cifrado. Finalmente se realiza el criptoanálisis de otros dos esquemas de cifrado propuestos recientemente. La tercera parte de la tesis abarca el diseño de generadores de secuencias pseudoaleatorias criptográficamente seguras, basadas en aplicaciones caóticas, realizando las pruebas estadísticas, que corroboran las propiedades de aleatoriedad. Estos generadores pueden ser utilizados en el desarrollo de sistemas de cifrado en flujo y para cubrir las necesidades del cifrado en tiempo real. Una cuestión importante en el diseño de sistemas de cifrado discreto caótico es la degradación dinámica debida a la precisión finita; sin embargo, la mayoría de los diseñadores de sistemas de cifrado discreto caótico no ha considerado seriamente este aspecto. En esta tesis se hace hincapié en la importancia de esta cuestión y se contribuye a su esclarecimiento con algunas consideraciones iniciales. Ya que las cuestiones teóricas sobre la dinámica de la degradación de los sistemas caóticos digitales no ha sido totalmente resuelta, en este trabajo utilizamos algunas soluciones prácticas para evitar esta dificultad teórica. Entre las técnicas posibles, se proponen y evalúan varias soluciones, como operaciones de rotación de bits y desplazamiento de bits, que combinadas con la variación dinámica de parámetros y con la perturbación cruzada, proporcionan un excelente remedio al problema de la degradación dinámica. Además de los problemas de seguridad sobre la degradación dinámica, muchos criptosistemas se rompen debido a su diseño descuidado, no a causa de los defectos esenciales de los sistemas caóticos digitales. Este hecho se ha tomado en cuenta en esta tesis y se ha logrado el diseño de generadores pseudoaleatorios caóticos criptogr áficamente seguros.