Optimization of core components of block ciphers

par Baptiste Lambin

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Pierre-Alain Fouque.

Soutenue le 22-10-2019

à Rennes 1 , dans le cadre de MATHSTIC , en partenariat avec Universite Bretagne Loire (ComuE) , Institut de recherche en informatique et systèmes aléatoires (Rennes) (laboratoire) et de EMSEC (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Optimisation des principaux composants des chiffrements par bloc


  • Résumé

    La sécurité des chiffrements par bloc évolue constamment au fur et à mesure que de nouvelles techniques de cryptanalyse sont découvertes. Lors de la conception de nouveaux chiffrements par bloc, il est donc nécessaire de considérer ces nouvelles techniques dans l'analyse de sécurité. Dans cette thèse, nous montrons comment construire certaines opérations internes des chiffrements par bloc pour améliorer la résistance à certaines attaques. Nous commençons par donner une méthode pour trouver les permutations paires-impaires optimales selon un certain critère pour les Réseaux de Feistel Généralisés. Grâce à une nouvelle caractérisation et à un algorithme efficace, nous sommes notamment capables de résoudre un problème ouvert depuis 10 ans. Nous donnons ensuite de nouvelles techniques de cryptanalyse pour améliorer la division property, qui nous permet également de donner un nouveau critère optimal pour la conception de boîtes-S. Nous continuons avec de nouvelles observations pour un cadencement de clé alternatif pour AES. Ceci nous permet de donner un nouveau cadencement de clé, à la fois plus efficace et augmentant la sécurité face à certaines attaques par rapport à l’original. Pour finir, nous présentons un algorithme général très effiace permettant d’attaquer la majorité des propositions pour la cryptographie en boîte blanche, ainsi qu’une attaque dédiée sur un schéma non attaqué jusque là, donnant lieu à une attaque qui n’a besoin que de quelques secondes pour retrouver la clé.


  • Résumé

    Along with new cryptanalysis techniques, the security of block ciphers is always evolving. When designing new block ciphers, we thus need to consider these new techniques during the security analysis. In this thesis, we show how to build some core operations for block ciphers to improve the security against some attacks. We first start by describing a method to find optimal (according to some criterion) even-odd permutations for a Generalized Feistel Network. Using a new characterization and an efficient algorithm, we are able to solve a 10-years old problem. We then give new cryptanalysis techniques to improve the division property, along with a new proven optimal criterion for designing S-boxes. We continue with new observations for the design of an alternative key-schedule for AES. We thus give a new key-schedule, which is both more efficient and more secure against some attacks compared to the original one. Finally, we describe a very efficient generic algorithm to break most proposals in white-box cryptography, as well as a dedicated attack on a previously not analyzed scheme, leading to a key-recovery attack in a few seconds.


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