Studies in Lightweight Cryptography

Abstract

The decreasing size of devices is one of the most significant changes in telecommunication and information technologies. This change has been accompanied by a dramatic reduction in the cost of computing devices. The dawning era of ubiquitous computing has opened the door to extensive new applications. Ubiquitous computing has found its way into products thanks to the improvements in the underlying enabling technologies. Considerable developments in constraint devices such as RFID tags facilitate novel services and bring embedded computing devices to our everyday environments. The changes that lie ahead will eventually make pervasive computing devices an integral part of our world. The growing prevalence of pervasive computing devices has created a significant need for the consideration of security issues. However, security cannot be considered independently, but instead, should be evaluated alongside related issues such as performance and cost. In particular, there are several limitations facing the design of appropriate ciphers for extremely constrained environments. In response to this challenge, several lightweight ciphers have been designed during the last years. The purpose of this dissertation is to evaluate the security of the emerging lightweight block ciphers. This dissertation develops cryptanalytic methods for determining the exact security level of some inventive and unconventional lightweight block ciphers. The work studies zero-correlation linear cryptanalysis by introducing the Matrix method to facilitate the finding of zero-correlation linear approximations. As applications, we perform zero-correlation cryptanalysis on the 22-round LBlock and TWINE. We also perform simulations on a small variant of LBlock and present the first experimental results to support the theoretical model of the multidimensional zero-correlation linear cryptanalysis method. In addition, we provide a new perspective on slide cryptanalysis and reflection cryptanalysis by extending previous research of self-similarity cryptanalysis. Unlike classical techniques, our approach is not limited to deterministic characteristics. To demonstrate the impact of our model we provide statistical and structural analysis of three well-known lightweight block ciphers: ITUbee, Zorro and LED. As a result of the analysis presented in this work new security criteria for PRINCE-like ciphers are obtained.

Informaatio- ja tietoliikennetekniikan merkittävimpiä muutoksia on ollut siirtyminen yhä pienempiin ja pienempiin laitteisiin, joka on myös alentanut niiden hintoja. Ubiikkilaskennan aikakauden koittaessa ovet avautuvat myös laajamittaisiin uusiin sovelluksiin. Ubiikkilaskenta on löytänyt tiensä tuotteisiin sen vaatimissa teknologioissa tapahtuneiden parannusten ansiosta. Rajoitteisten laitteiden kuten RFID-tagien kehittyminen mahdollistaa uusia palveluja ja tuo sulautetut järjestelmät jokapäiväiseen toimintaympäristöömme. Kaikkialle leviävät langattomat laitteet tulevat kiinteäksi osaksi maailmaamme. Kaikkialle läpitunkevan laskennan lisääntyessä turvallisuusnäkökohtien ottaminen huomioon on entistä tärkeämpää. Turvallisuutta ei kuitenkaan voi tarkastella irrallaan muusta kokonaisuudesta, vaan sitä tulee arvioida suhteessa muihin ominaisuuksiin kuten suorituskykyyn ja kustannuksiin. Erityisesti kun suunnitellaan salausteknisiä algoritmeja äärimmäisen rajoitteisiin ympäristöihin kohdataan useita haasteita joihin on viime vuosina pyritty vastaamaan esittämällä lukuisia uusia kevyen luokan salausalgoritmeja. Tämän väitöskirjatyön tarkoituksena on arvioida uusien kevyen luokan salausalgoritmien kryptografista turvallisuutta. Väitöskirjassa kehitetään kryptoanalyyttisiä menetelmiä, joilla voidaan määrittää eräiden uraa uurtavien uusien kevyen luokan lohkosalausalgoritmien turvallisuustaso. Työssä tutkitaan lineaarista nollakorrelaatiomenetelmää ja esitetään matriisimenetelmä, jolla voidaan helpottaa nollakorrelaatiorelaatioiden löytämistä. Sovelluksena esitetään 22 kierroksen LBlock ja TWINE lohkosalausalgoritmien nollakorrelaatioanalyysi. Analyysimenetelmää myös simuloidaan LBlock-algoritmin pienennetyllä versiolla. Tuloksena on ensimmäinen tilastolliselle nollakorrelaatiomenetelmälle suoritettu kokeellinen analyysi ja se tukee aiemmin esitettyä teoreettista mallia. Tutkimuksessa saavutetaan myös uusia tuloksia lohkosalausalgoritmien liukuanalyysi- ja heijastusanalyysimenetelmistä, jotka laajentavat merkittävästi aikaisemmin tunnettujen lohkosalausalgoritmien nk. itseensärinnastavien menetelmien hyödynnettävyyttä ja toimivuutta. Päinvastoin kuin klassiset lähestymistavat, tässä työssä esitetyt laajennukset eivät rajoitu vain deterministisen relaation tapaukseen. Uuden mallin toimivuutta havainnollistetaan esittämällä uusia tilastollisia ja rakenteellisia kryptoanalyyseja tunnetuille kevyen luokan lohkosalausalgoritmeille: ITUBee, Zorro ja LED. Heijastusmenetelmällä suoritetun analyysin pohjalta esitetään myös uusia suunnittelukriteerejä PRINCE-tyypin salausalgoritmeille.