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Design, Analysis, and Implementation of Symmetric-key (Authenticated) Ciphers

  • Modern cryptography has become an often ubiquitous but essential part of our daily lives. Protocols for secure authentication and encryption protect our communication with various digital services, from private messaging, online shopping, to bank transactions or exchanging sensitive information. Those high-level protocols can naturally be only as secure as the authentication or encryption schemesModern cryptography has become an often ubiquitous but essential part of our daily lives. Protocols for secure authentication and encryption protect our communication with various digital services, from private messaging, online shopping, to bank transactions or exchanging sensitive information. Those high-level protocols can naturally be only as secure as the authentication or encryption schemes underneath. Moreover, on a more detailed level, those schemes can also at best inherit the security of their underlying primitives. While widespread standards in modern symmetric-key cryptography, such as the Advanced Encryption Standard (AES), have shown to resist analysis until now, closer analysis and design of related primitives can deepen our understanding. The present thesis consists of two parts that portray six contributions: The first part considers block-cipher cryptanalysis of the round-reduced AES, the AES-based tweakable block cipher Kiasu-BC, and TNT. The second part studies the design, analysis, and implementation of provably secure authenticated encryption schemes. In general, cryptanalysis aims at finding distinguishable properties in the output distribution. Block ciphers are a core primitive of symmetric-key cryptography which are useful for the construction of various higher-level schemes, ranging from authentication, encryption, authenticated encryption up to integrity protection. Therefore, their analysis is crucial to secure cryptographic schemes at their lowest level. With rare exceptions, block-cipher cryptanalysis employs a systematic strategy of investigating known attack techniques. Modern proposals are expected to be evaluated against these techniques. The considerable effort for evaluation, however, demands efforts not only from the designers but also from external sources. The Advanced Encryption Standard (AES) is one of the most widespread block ciphers nowadays. Therefore, it is naturally an interesting target for further analysis. Tweakable block ciphers augment the usual inputs of a secret key and a public plaintext by an additional public input called tweak. Among various proposals through the previous decade, this thesis identifies Kiasu-BC as a noteworthy attempt to construct a tweakable block cipher that is very close to the AES. Hence, its analysis intertwines closely with that of the AES and illustrates the impact of the tweak on its security best. Moreover, it revisits a generic tweakable block cipher Tweak-and-Tweak (TNT) and its instantiation based on the round-reduced AES. The first part investigates the security of the AES against several forms of differential cryptanalysis, developing distinguishers on four to six (out of ten) rounds of AES. For Kiasu-BC, it exploits the additional freedom in the tweak to develop two forms of differential-based attacks: rectangles and impossible differentials. The results on Kiasu-BC consider an additional round compared to attacks on the (untweaked) AES. The authors of TNT had provided an initial security analysis that still left a gap between provable guarantees and attacks. Our analysis conducts a considerable step towards closing this gap. For TNT-AES - an instantiation of TNT built upon the AES round function - this thesis further shows how to transform our distinguisher into a key-recovery attack. Many applications require the simultaneous authentication and encryption of transmitted data. Authenticated encryption (AE) schemes provide both properties. Modern AE schemes usually demand a unique public input called nonce that must not repeat. Though, this requirement cannot always be guaranteed in practice. As part of a remedy, misuse-resistant and robust AE tries to reduce the impact of occasional misuses. However, robust AE considers not only the potential reuse of nonces. Common authenticated encryption also demanded that the entire ciphertext would have to be buffered until the authentication tag has been successfully verified. In practice, this approach is difficult to ensure since the setting may lack the resources for buffering the messages. Moreover, robustness guarantees in the case of misuse are valuable features. The second part of this thesis proposes three authenticated encryption schemes: RIV, SIV-x, and DCT. RIV is robust against nonce misuse and the release of unverified plaintexts. Both SIV-x and DCT provide high security independent from nonce repetitions. As the core under SIV-x, this thesis revisits the proof of a highly secure parallel MAC, PMAC-x, revises its details, and proposes SIV-x as a highly secure authenticated encryption scheme. Finally, DCT is a generic approach to have n-bit secure deterministic AE but without the need of expanding the ciphertext-tag string by more than n bits more than the plaintext. From its first part, this thesis aims to extend the understanding of the (1) cryptanalysis of round-reduced AES, as well as the understanding of (2) AES-like tweakable block ciphers. From its second part, it demonstrates how to simply extend known approaches for (3) robust nonce-based as well as (4) highly secure deterministic authenticated encryption.show moreshow less
  • Die moderne Kryptographie hat sich zu einem oft unsichtbaren aber essentiellen Teil unserer alltäglichen Kommunikation entwickelt. Protokolle für sichere Authentisierung und Verschlüsselung schützen uns als Gesellschaft in einer Vielzahl von Lebensbereichen, sei es in Nachrichten oder Online-Einkäufen, bis hin zum Schutz von Banktransaktionen oder behördlicher Kommunikation. In den meisten FällenDie moderne Kryptographie hat sich zu einem oft unsichtbaren aber essentiellen Teil unserer alltäglichen Kommunikation entwickelt. Protokolle für sichere Authentisierung und Verschlüsselung schützen uns als Gesellschaft in einer Vielzahl von Lebensbereichen, sei es in Nachrichten oder Online-Einkäufen, bis hin zum Schutz von Banktransaktionen oder behördlicher Kommunikation. In den meisten Fällen ist dabei die Sicherstellung von Authentizität und Verschlüsselung von entscheidender Bedeutung. Wie eine Kette ihre Stärke aus den einzelnen Gliedern bezieht, kann jedes kryptographisches Protokoll jedoch nur so sicher sein wie seine darunterliegenden Verfahren und Primitive. Mit den offenen Nominierungswettbewerben haben sich heutige Standards wie zum Beispiel der Advanced Encryption Standard (AES) für Blockchiffren oder der Galois/Counter Mode für authentisierte Verschlüsselung etabliert. Zudem haben sie durch vergangenen zwei Jahrzehnte an Analyse durch die kryptographische Forschergemeinschaft ein hohes Maß an Vertrauen erhalten. Insbesondere in der symmetrischen Kryptographie, die hohen Wert auf Effizienz der Verfahren legt, werden vorwiegend systematische Analysetechniken eingesetzt. Darum ist der Prozess der Verständnisentwicklung und -gewinnung nie abgeschlossen, sondern Bedarf neuer Blickwinkel und Ideen. Als die Kernkomponenten der täglichen Internetkommunikation sind dabei Blockchiffren und Verfahren zur authentisierten Verschlüsselung dabei von besonderem Interesse. Diese Dissertation gliedert sich in zwei Hauptteile die insgesamt sechs Beiträge beinhalten. Der erste Teil ist der Analyse von AES-basierten (tweakable) Blockchiffren gewidmet. Der zweite Teil stellt neue Konstruktionen für robuste authentisierte Verschlüsselung mit hohen Sicherheitsgarantien vor. Die Kryptanalyse versucht nicht-ideale Eigenschaften in den Ausgaben kryptographischer Systeme zu finden. Blockchiffren als wichtige Grundbausteine der symmetrischen Kryptographie sind hierbei von besonderem Interesse, da sie die Grundlage für die Konstruktion sicherer Verfahren für Authentisierung oder Verschlüsselung darstellen. Diese wiederum schützen in Protokollen in einer Vielzahl von Anwendungen uns in unserem Alltag. Die Analyse von Blockchiffren als Grundoperationen ist daher essentiell um die Sicherheit darauf aufbauender Verfahren verstehen zu können. Der AES ist wahrscheinlich die derzeit am weitesten verbreitete moderne Blockchiffre, was ihn allein bereits zum hochinteressanten Studienobjekt macht. Tweakable Blockchiffren ergänzen ihre klassischen Vorbilder um einen zusätzlichen öffentlichen Input, den Tweak, was insbesondere in der jüngeren Vergangenheit zu effizienteren oder sichereren Verfahren geführt hat. AES-basierte Konstruktionen versuchen von der Vielzahl der existierenden bekannten Eigenschaften des AES und seiner Effizienz zu profitieren. Die Rolle des Tweaks für die Sicherheit ist allerdings nicht völlig verstanden. Ihre Analyse ist daher von besonderem Interesse. Der erste Teil dieser Thesis stellt eine neue Sichtweise der differentiellen Analyse von vier bis sechs Runden AES vor. Im weiteren Verlauf betrachtet sie differentielle Angriffe auf Kiasu-BC, eine Tweakable Blockchiffre auf Basis des AES, die versucht, so nah wie möglich am Design des AES zu bleiben. Somit kann ihre Analyse die durch den Tweak hervorgerufenen Unterschiede genauer beleuchten als das bei dedizierten Konstruktion möglich wäre. Abschließend analysiert der erste Teil Tweak-and-Tweak (TNT), eine generische Transformation einer klassischen in eine tweakable Blockchiffre, sowie ihre Instanz TNT-AES. Durch einen besseren Sicherheitsbeweis von TNT schließt sie die Lücke (mit Ausnahme eines logarithmischen Faktors) zwischen ihrer vorher bewiesenen Sicherheit und bekannten Angriffen. Eine Vielzahl von Anwendungen für Authentisierung oder Verschlüsselung benötigen beide Eigenschaften simultan. Darum sind Verfahren für die Authentisierte Verschlüsselung (AE Schemes) aus dem täglichen Gebrauch nicht mehr wegzudenken. Bis vor einigen Jahren waren die Anforderungen an den Gebrauch von AE Schemes allerdings sehr restriktiv: Moderne AE Schemes erfordern in der Regel für jede zu verschlüsselnde Nachricht einen Input der sich nicht wiederholen darf, eine Nonce. Nonces sind allgemein akzeptiert und sinnvoll - ihre Einmaligkeit kann jedoch nicht über alle Anwendungsumgebungen hinweg garantiert werden. Für viele Konstruktionen bedeutet eine Verletzung der Anforderungen allerdings dass keinerlei Sicherheit mehr gewährleistet werden kann. Robuste AE Schemes wurden eingeführt um den Schaden möglichst auch im Fall von Nonce-Wiederholungen Sicherheit zu garantieren. Derartige Verfahren bedenken darüberhinaus auch den Fall, dass ungültige Klartexte unbeabsichtigt nach außen gelangen, was insbesondere in Umgebungen relevant ist, in denen sie nicht bis zur erfolgreichen Verifikation gespeichert werden können. Die vorliegende Arbeit stellt drei blockchiffrenbasierte Verfahren für misuse-resiliente authentisierte Verschlüsselung vor: RIV, SIV-x und DCT. RIV bietet Robustheit gegen Nonce-Wiederholungen wie auch gegen die Fälle in denen Informationen über ungültige Entschlüsselungen nach außen gelangen. SIV-x und DCT bieten sehr hohe Sicherheitsgarantien ohne auf Nonces angewiesen zu sein, jeweils basierend auf tweakable Blockchiffren. Im ersten Teil möchte die vorliegende Arbeit zum Einen das Verständnis der differentiellen Sicherheit des rundenreduzierten AES hin zu Unterscheidungsangriffen mit extrem kleinen, aber dennoch signifikanten Differenzen ergänzen. Zum Anderen erweitert dieser Teil die Analyse AES-ähnlicher Tweakable Blockchiffren. Der zweite Teil ergänzt zum Einen mit RIV das Portfolio robuster authentisierter Verschlüsselungsverfahren und zeigt wie diese effizient implementiert werden können. Zum Anderen zeigt er mit SIV-x und DCT, wie deterministische authentisierte Verschlüsselung mit hohen Sicherheitsanforderungen mit zwei Iterationen von denen nur eine pseudozufällig sein muss realisiert werden können.show moreshow less

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Metadaten
Document Type:Doctoral Thesis
Author: Eik ListORCiDGND
DOI (Cite-Link):https://doi.org/10.25643/bauhaus-universitaet.4523Cite-Link
URN (Cite-Link):https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:wim2-20211103-45235Cite-Link
Referee:Prof. Dr. Stefan LucksGND, Prof. Dr. Frederik ArmknechtGND
Advisor:Prof. Dr. Stefan LucksGND
Language:English
Date of Publication (online):2021/11/03
Date of first Publication:2021/11/03
Date of final exam:2021/06/08
Release Date:2021/11/03
Publishing Institution:Bauhaus-Universität Weimar
Granting Institution:Bauhaus-Universität Weimar, Fakultät Medien
Institutes and partner institutions:Fakultät Medien / Professur Mediensicherheit
Pagenumber:258
Tag:Cryptanalysis; Cryptography; Encryption; Provable security; Symmetric-key cryptography
GND Keyword:Kryptologie
Dewey Decimal Classification:000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke
500 Naturwissenschaften und Mathematik / 510 Mathematik
BKL-Classification:54 Informatik / 54.38 Computersicherheit
Licence (German):License Logo Creative Commons 4.0 - Namensnennung (CC BY 4.0)