Le Gaussian sampling dans la cryptographie sur les réseaux euclidiens

Gaussian sampling in lattice-based cryptography

• Auteur / Autrice : Thomas Prest
• Direction : David Pointcheval, Vadim Lyubashevsky
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 08/12/2015
• Etablissement(s) : Paris, Ecole normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mathématiques de Paris centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École normale supérieure (Paris ; 1985-....). Département d'informatique
• Partenaire(s) de recherche : Établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Pointcheval, Vadim Lyubashevsky

Mots clés

Mots clés contrôlés

Informatique

Mots clés libres

Cryptographie à clé publique

Réseaux euclidiens

Signatures numériques

Chiffrement basé sur l'identité

Cryptographie post-quantique

Cryptographie basée sur les réseaux

Gaussian sampling

Algorithmes

Public-key cryptography

Lattices

Digital signatures

Identity-based encryption

Post-quantum cryptography

Lattice-based cryptography

Résumé

Bien que relativement récente, la cryptographie à base de réseaux euclidiens s’est distinguée sur de nombreux points, que ce soit par la richesse des constructions qu’elle permet, par sa résistance supposée à l’avènement des ordinateursquantiques ou par la rapidité dont elle fait preuve lorsqu’instanciée sur certaines classes de réseaux. Un des outils les plus puissants de la cryptographie sur les réseaux est le Gaussian sampling. À très haut niveau, il permet de prouver qu’on connaît une base particulière d’un réseau, et ce sans dévoiler la moindre information sur cette base. Il permet de réaliser une grande variété de cryptosystèmes. De manière quelque peu surprenante, on dispose de peu d’instanciations pratiques de ces schémas cryptographiques, et les algorithmes permettant d’effectuer du Gaussian sampling sont peu étudiés. Le but de cette thèse est de combler le fossé qui existe entre la théorie et la pratique du Gaussian sampling. Dans un premier temps, nous étudions et améliorons les algorithmes existants, à la fois par une analyse statistique et une approche géométrique. Puis nous exploitons les structures sous-tendant de nombreuses classes de réseaux, ce qui nous permet d’appliquer à un algorithme de Gaussian sampling les idées de la transformée de Fourier rapide, passant ainsi d’une complexité quadratique à quasilinéaire. Enfin, nous utilisons le Gaussian sampling en pratique et instancions un schéma de signature et un schéma de chiffrement basé sur l’identité. Le premierfournit des signatures qui sont les plus compactes obtenues avec les réseaux à l’heure actuelle, et le deuxième permet de chiffrer et de déchiffrer à une vitesse près de mille fois supérieure à celle obtenue en utilisant un schéma à base de couplages sur les courbes elliptiques.

Although rather recent, lattice-based cryptography has stood out on numerous points, be it by the variety of constructions that it allows, by its expected resistance to quantum computers, of by its efficiency when instantiated on some classes of lattices. One of the most powerful tools of lattice-based cryptography is Gaussian sampling. At a high level, it allows to prove the knowledge of a particular lattice basis without disclosing any information about this basis. It allows to realize a wide array of cryptosystems. Somewhat surprisingly, few practical instantiations of such schemes are realized, and the algorithms which perform Gaussian sampling are seldom studied. The goal of this thesis is to fill the gap between the theory and practice of Gaussian sampling. First, we study and improve the existing algorithms, byboth a statistical analysis and a geometrical approach. We then exploit the structures underlying many classes of lattices and apply the ideas of the fast Fourier transform to a Gaussian sampler, allowing us to reach a quasilinearcomplexity instead of quadratic. Finally, we use Gaussian sampling in practice to instantiate a signature scheme and an identity-based encryption scheme. The first one yields signatures that are the most compact currently obtained in lattice-based cryptography, and the second one allows encryption and decryption that are about one thousand times faster than those obtained with a pairing-based counterpart on elliptic curves.