Constructions pour la cryptographie à bas coût

Constructions for lightweight cryptography

• Auteur / Autrice : Sébastien Duval
• Direction : Anne Canteaut, Gaëtan Leurent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 03/10/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Centre de recherche de Paris (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Damien Vergnaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christina Boura, Gregor Leander, Pierre-Alain Fouque, Jérémy Jean
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François-Xavier Standaert, Thomas Peyrin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aspect économique

Systèmes informatiques -- Mesures de sûreté

Chiffrement (informatique)

Mots clés libres

Cryptographie

Chiffrement symétrique

Mac

Boîte-s

Matrice de diffusion

Bas coût

Chiffrement par blocs

Chiffrement à flot

Cryptography

Lightweight

Symmetric encryption

Résumé

Cette thèse explore à la fois la construction et l'analyse de primitives de cryptographie symétrique. Nous obtenons de meilleures constructions que celles de la littérature, en visant la réduction des coûts d'implémentation. Nous étudions trois types de primitives : les chiffrements par blocs, utilisés couramment pour le chiffrement symétrique, un chiffrement à flot optimisé pour le chiffrement parfaitement homomorphe et un algorithme d'authentification de messages. Nous réduisons les coûts des deux composants des chiffrements par blocs : la boîte-S et la matrice de diffusion. Les structures de Feistel et de type MISTY se révèlent performantes pour offrir une bonne sécurité à bas coût, et nous obtenons des boîtes-S offrant le meilleur compromis coût/sécurité connu. Nous étudions aussi la structure de Papillon qui produit des boîtes-S avec une excellente sécurité. Quant aux matrices de diffusion, nous développons un algorithme de recherche de matrices formelles, puis instancions les solutions pour obtenir des matrices optimales en termes de diffusion à des coûts moindres que celles de la littérature. Nous trouvons une faiblesse dans le chiffrement à flot FLIP, créé pour répondre à des contraintes de coût spécifiques. Nous montrons que FLIP nécessite une étude différente des autres chiffrements et en déduisons une attaque, ce qui a permis de mettre à jour FLIP pour obtenir un chiffrement plus résistant. Enfin nous étudions les MAC, qui servent à l'authentification des messages. En combinant des idées de la littérature, nous créons un MAC moins coûteux que ceux utilisés en pratique pour une sécurité équivalente, en visant une implémentation sur micro-controlleurs 32 bits.

This thesis explores the construction of symmetric cryptography primitives. We reach better constructions than that of the literature, we a focus on the reduction of implementation costs. We study three types of primitives: block ciphers, which are the most commonly used in symmetric cryptography, a stream cipher designed for a specific application and a message authentication algorithm. We reduce the costs of the two main components of block ciphers: S-boxes and diffusion matrices. Feistel and MISTY-like structures appear to be a good choice to design secure S-boxes at a low cost, and lead us to new S-boxes with the best known trade-off between security and implementation cost. We also study the Butterfly structure which yields S-boxes with an excellent security. As for diffusion matrices, we develop an algorithm to look for formal matrices in a polynomial ring, then we instantiate its outputs to obtain matrices which are optimal in terms of diffusion at a lower cost than those of the literature. We also identify a weakness in the stream cipher FLIP, designed to fit some very specific cost constraints. We show that FLIP requires a different analysis than other stream ciphers and deduce from it an attack, which led to an update in FLIP to get a more resilient cipher. Finally, we study MAC algorithms, which are used to authenticate messages. Combining works from the literature, we build a MAC which is less costly than those used in practice with an equivalent security, aiming at an implementation on 32-bit micro-controllers.