Analyses de primitives de cryptographie symétrique basées sur l'AES et orientées arithmétisation

Analysis of AES-based and arithmetization-oriented symmetric cryptography primitives

• Auteur / Autrice : Augustin Bariant
• Direction : Gaëtan Leurent, Anne Canteaut
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologies de l'information et de la communication
• Date : Soutenance le 27/06/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Centre de recherche de Paris (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Pierre-Alain Fouque
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martin Albrecht, Magali Turrel Bardet, Carlos Cid, Patrick Derbez
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pierre-Alain Fouque, Willi Meier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes informatiques -- Mesures de sûreté

Chiffrement (informatique)

Primitives (mathématiques)

Cryptographie

Mots clés libres

Cryptographie

Symétrique

Orienté arithmétisation

AES

Cryptography

Symmetric

Arithmetization-Oriented

AES

Résumé

La cryptographie joue un rôle clé dans la communication numérique, en garantissant que les utilisateurs malveillants ne peuvent pas obtenir des informations sensibles qui ne leur appartiennent pas. En cryptographie symétrique, deux utilisateurs conviennent d'une clé secrète et utilisent un moyen de chiffrement pour communiquer, le plus utilisé étant l'AES. La sécurité des chiffrements symétriques n'est cependant pas mathématiquement prouvable, donc beaucoup d'efforts doivent être consacrés à la cryptanalyse, c'est-à-dire à la recherche des meilleures attaques.Dans ce contexte, cette thèse améliore certaines techniques de cryptanalyse contre les chiffrements basés sur l'AES. Tout d'abord, nous présentons une attaque sur la version complète de ForkAES, et améliorons les attaques différentielles impossibles sur ForkSkinny. Ensuite, nous montrons de nouvelles attaques boomerang sur 6 tours d'AES et sur plusieurs primitives basées sur l'AES. En particulier, nous introduisons un nouveau framework d'attaques boomerangs, l'attaque boomerang tronquée, dont on dérive les meilleures attaques connues contre Kiasu-BC, Deoxys-BC et TNT-AES.Nous présentons également un framework de fonctions de hachage universelles basées sur l'AES, à partir duquel nous concevons deux MACs basés sur AES, LeMac et PetitMac. LeMac offre les meilleures performances logicielles sur des processeurs récents, parmi les MACs existants.Enfin, nous étudions les attaques algébriques contre une nouvelle génération de primitives symétriques, appelées Arithmétisation-Orientées (AO). Nous montrons que ces attaques peuvent être améliorées avec des techniques symétriques, et soulignons que les attaques univariées sont beaucoup moins coûteuses que les attaques multivariées. Nous présentons également l'attaque FreeLunch, un nouveau type d'attaque algébrique qui remet en question la sécurité de plusieurs primitives AO récentes.

Cryptography plays a critical role in digital communication, by ensuring that malicious users cannot obtain sensitive information that do not belong to them. In symmetric cryptography, two parties agree on a secret key, and use a cipher to encrypt their communication, the most used of which being AES. However, the security of symmetric ciphers is not mathematically provable, therefore a lot of effort needs to be dedicated to cryptanalysis, i.e. the search for the best attacks.In this context, this thesis improves on some cryptanalysis techniques against AES-based ciphers. First, we present an attack on full ForkAES, together with an improved impossible differential attack on ForkSkinny. Second, we show some new boomerang attacks on 6-round AES and on several AES-based ciphers. In particular, we introduce a new boomerang attack framework, the truncated boomerang attack, that yields the best known attacks against Kiasu-BC, Deoxys-BC and TNT-AES.We also present an AES-based universal hash function framework, from which we design two AES-based MACs, LeMac and PetitMac. LeMac offers the best software performance among existing MAC algorithms on recent desktop CPUs.We finally study algebraic attacks against a new generation of symmetric primitives, called Arithmetization-Oriented (AO). We show that these attacks can be improved with symmetric techniques, and highlight that univariate attacks are much cheaper than multivariate attacks. We also present the FreeLunch attack, a new type of algebraic attack that challenges the security of several recent AO primitives.