Please use this identifier to cite or link to this item: doi:10.22028/D291-43894
Title: Provable security of symmetric-key cryptographic schemes in classical and quantum frameworks
Author(s): Ethan, Jordan
Language: English
Year of Publication: 2024
DDC notations: 600 Technology
Publikation type: Dissertation
Abstract: In dieser Dissertation beschäftigen wir uns mit dem Entwurf sicherer symmetrischer Kryptosysteme, indem wir Schwachstellen aufdecken, neue Konstruktionen vorschlagen und Sicherheitsbeweise gegen klassische und Quantenangreifer liefern. Klassisches Setting: Zunächst entwerfen wir tweakbare Blockchiffren (TBCs), die über die Birthday-Grenze hinaus Sicherheit bieten. Wir schlagen ein tweakbares Verschlüsselungsschema mit einer einzelnen S-Box vor. Außerdem analysieren wir das TWEAKEY-Framework und leiten Schranken für IND-CCA-Sicherheit und Schlüssel- wahlangriffe ab. Weiterhin untersuchen wir Authenticated Encryption (AE)-Schemes, analysieren das MTProto-Protokoll von Telegram, decken einen partiellen Schlüssel- wiederherstellungsangriff auf und schlagen eine Lösung vor. Wir betrachten auch AEs für Leakage-Resilienz und Kontextbindung und entwickeln ein Blueprint zur Analyse von Single-Pass-Schemes wie Triplex. Quanten-Setting: Wir analysieren 2n-Bit-zu-n-Bit komprimierende Funktionen mit einem n-Bit PRF-Aufruf und zeigen, dass die meisten Zwei- oder Dreifach-Aufrufe unsicher sind. Wir identifizieren drei sichere Konstruktionen und beweisen ihre qPRF-Sicherheit mit einem neuen Framework basierend auf Zhandrys komprimiertem Orakel [325]. Zusätzlich entdecken wir die Grenzen des Frameworks für adaptive Angreifer und finden einen Fehler im Vier-Runden-Luby-Rackoff-Beweis [174]. Trotzdem beweisen wir die qPRF-Sicherheit einer Variante von Feistel-Netzwerken, den Misty- Konstruktionen.
In this dissertation, we focus on designing secure symmetric-key schemes by identifying flaws, proposing new constructions, and providing rigorous security proofs against classical and quantum adversaries. Classical Setting: First, we design tweakable block ciphers (TBCs) that achieve security beyond the birthday bound. We propose a tweakable enciphering scheme with a single S-box. Further, we analyze the TWEAKEY framework, deriving bounds for IND-CCA security and chosen-key resistance. Second, we analyze authenticated encryption (AE) schemes, examining Telegram’s MTProto protocol, revealing a partial key recovery subversion attack, and suggesting a fix. We further explore AEs for leakage resilience and context commitment, proposing a blueprint for analyzing single-pass schemes like Triplex. Quantum Setting: We analyze 2n-bit to n-bit compressing functions with a single n-bit PRF call, showing that most two-call or three-call functions are vulnerable. We identify three secure constructions and prove their qPRF security using a new framework based on Zhandry’s compressed oracle [325]. Additionally, we discover the framework’s limitations for adaptive adversaries and identify a flaw in the four-round Luby-Rackoff proof [174]. Nonetheless, we prove the qPRF security of a variant of Feistel networks, the Misty constructions.
Link to this record: urn:nbn:de:bsz:291--ds-438947
hdl:20.500.11880/39310
http://dx.doi.org/10.22028/D291-43894
Advisor: Joux, Antoine
Date of oral examination: 19-Dec-2024
Date of registration: 9-Jan-2025
Faculty: MI - Fakultät für Mathematik und Informatik
Department: MI - Informatik
Professorship: MI - Keiner Professur zugeordnet
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