De façon générale, cette thèse porte sur l'estimation de l'état et des entrées inconnues pour une classe de systèmes non linéaires. De façon plus particulière, le problème est abordé sous l'angle de la conception d'un système de transmission sécurisée d'informations exploitant les propriétés des systèmes chaotiques et leur capacité de synchronisation. Les travaux présentés traitent trois points principaux, à savoir le choix de l'émetteur, le développement du récepteur, et la mise au point du processus de transmission de l'information ou du message. L'émetteur retenu est un système non linéaire chaotique dont la dynamique comporte un retard, ce qui lui confère un comportement particulièrement complexe. La conception du récepteur repose sur la synthèse d'un observateur non linéaire, dont la stabilité et la convergence garantissent la synchronisation avec l'émetteur. L'insertion du message est réalisée par modulation de la phase d'un signal porteur chaotique. Le décryptage de l'information s'apparente à une restauration d'entrée inconnue au niveau du récepteur. Une étude de la sécurité du processus de cryptage/décryptage a été menée, reposant sur des techniques standard de cryptanalyse. Des multimodèles chaotiques ont été proposés pour renforcer la sécurité du processus de synchronisation / In a general way, this thesis deals with state and unknown input estimation for a class of nonlinear systems. In a more particular way, the problem is addressed from a secure communication system design point of view, based on chaotic systems properties and synchronization ability. Our work deals with three main points: selection of the transmitter, design of the receiver, and development of the information (or message) transmission process. The chosen transmitter is a time-delay nonlinear chaotic system: the main reason is that a very complex behavior is brought about by the delayed state feedback. The receiver design relies on a nonlinear observer synthesis, whose stability and convergence ensure synchronization with the transmitter. The message insertion is realized through a chaotic carrier phase modulation. The decryption process is similar to an unknown input recovery, at the receiver side. The security of the proposed encryption/decryption process is studied using standard cryptanalysis techniques. Chaotic multimodels are defined to tighten up the synchronization process security

This thesis presents a computationally efficient cryptosystem based on chaotic continuous-interval cellular automata (CCA). This cryptosystem increases data protection as demonstrated by its flexibility to encrypt/decrypt information from distinct sources (e.g., text, sound, and images). This cryptosystem has the following enhancements over the previous chaos-based cryptosystems: (i) a mathematical model based on a new chaotic CCA strange attractor, (ii) integration of modules containing dynamical systems to generate complex sequences, (iii) generation of an unlimited number of keys due to the features of chaotic phenomena obtained through CCA, which is an improvement over previous symmetric cryptosystems, and (iv) a high-quality concealment of the cryptosystem strange attractor. Instead of using differential equations, a process of mixing chaotic sequences obtained from CCA is also introduced. As compared to other recent approaches, this mixing process provides a basis to achieve higher security by using a higher degree of complexity for the encryption/decryption processes. This cryptosystem is tested through the following three methods: (i) a stationarity test based on the invariance of the first ten statistical moments, (ii) a polyscale test based on the variance fractal dimension trajectory (VFDT) and the spectral fractal dimension (SFD), and (iii) a surrogate data test. This cryptosystem secures data from distinct sources, while leaving no patterns in the ciphertexts. This cryptosystem is robust in terms of resisting attacks that: (i) identify a chaotic system in the time domain, (ii) reconstruct the chaotic attractor by monitoring the system state variables, (iii) search the system synchronization parameters, (iv) statistical cryptanalysis, and (v) polyscale cryptanalysis.

This thesis presents a computationally efficient cryptosystem based on chaotic continuous-interval cellular automata (CCA). This cryptosystem increases data protection as demonstrated by its flexibility to encrypt/decrypt information from distinct sources (e.g., text, sound, and images). This cryptosystem has the following enhancements over the previous chaos-based cryptosystems: (i) a mathematical model based on a new chaotic CCA strange attractor, (ii) integration of modules containing dynamical systems to generate complex sequences, (iii) generation of an unlimited number of keys due to the features of chaotic phenomena obtained through CCA, which is an improvement over previous symmetric cryptosystems, and (iv) a high-quality concealment of the cryptosystem strange attractor. Instead of using differential equations, a process of mixing chaotic sequences obtained from CCA is also introduced. As compared to other recent approaches, this mixing process provides a basis to achieve higher security by using a higher degree of complexity for the encryption/decryption processes. This cryptosystem is tested through the following three methods: (i) a stationarity test based on the invariance of the first ten statistical moments, (ii) a polyscale test based on the variance fractal dimension trajectory (VFDT) and the spectral fractal dimension (SFD), and (iii) a surrogate data test. This cryptosystem secures data from distinct sources, while leaving no patterns in the ciphertexts. This cryptosystem is robust in terms of resisting attacks that: (i) identify a chaotic system in the time domain, (ii) reconstruct the chaotic attractor by monitoring the system state variables, (iii) search the system synchronization parameters, (iv) statistical cryptanalysis, and (v) polyscale cryptanalysis.

Η διδακτορική διατριβή επικεντρώθηκε στη μελέτη νέων τεχνικών κρυπτογραφίας και κρυπτανάλυσης, αλλά και στην ανάπτυξη νέων πρωτοκόλλων για την ασφαλή ηλεκτρονική συγκέντρωση δεδομένων. Το πρώτο πρόβλημα το οποίο διερεύνησε η διατριβή ήταν η δυνατότητα εφαρμογής των μεθόδων Υπολογιστικής Νοημοσύνης στην κρυπτολογία. Στόχος ήταν η ανίχνευση των κρίσιμων σημείων κατά την εφαρμογή των μεθόδων αυτών στον πολύ απαιτητικό αυτό τομέα προβλημάτων και η μελέτη της αποτελεσματικότητας και της αποδοτικότητάς τους σε διάφορα προβλήματα κρυπτολογίας. Συνοψίζοντας, τα αποτελέσματα της διατριβής για την εφαρμογή μεθόδων Υπολογιστικής Νοημοσύνης στην κρυπτολογία υποδεικνύουν ότι παρά το γεγονός ότι η κατασκευή των αντικειμενικών συναρτήσεων είναι πολύ κρίσιμη για την αποδοτικότητα των μεθόδων, η Υπολογιστική Νοημοσύνη μπορεί να προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα στον κλάδο αυτό όπως είναι η αυτοματοποίηση κάποιων διαδικασιών κρυπτανάλυσης ή κρυπτογράφησης, ο γρήγορος έλεγχος της σθεναρότητας νέων κρυπτοσυστημάτων αλλά και ο συνδυασμός τους με τυπικές μεθόδους που χρησιμοποιούνται μέχρι σήμερα για την αξιοποίηση της απλότητας και της αποδοτικότητάς τους. Το δεύτερο πρόβλημα που μελετάται στην διατριβή είναι η εφαρμογή μεθόδων αντίστροφης πολυωνυμικής παρεμβολής για την εύρεση της τιμής του διακριτού λογαρίθμου αλλά και του λογαρίθμου του Lucas. Για την μελέτη αυτή χρησιμοποιήθηκαν δύο υπολογιστικές μέθοδοι αντίστροφης πολυωνυμικής παρεμβολής, οι μέθοδοι Aitken και Neville, οι οποίες είναι κατασκευαστικές και επιτρέπουν την πρόσθεση νέων σημείων παρεμβολής για καλύτερη προσέγγιση του πολυωνύμου με μικρό υπολογιστικό κόστος. Η παρούσα μελέτη έδειξε ότι και με την προτεινόμενη μεθοδολογία το συνολικό κόστος υπολογισμού της τιμής των λογαρίθμων παραμένει υψηλό, ωστόσο η κατανομή των πολυωνύμων που έδωσαν την λύση των προβλημάτων δείχνει ότι η μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε είτε εντόπισε την λύση στα πρώτα στάδια κατασκευής των πολυωνύμων είτε εντόπισε πολυώνυμα μικρού σχετικά βαθμού που προσεγγίζουν την αντίστοιχη λύση. Το τρίτο πρόβλημα που πραγματεύεται η παρούσα διατριβή είναι η δημιουργία νέων σθεναρών κρυπτοσυστημάτων με την χρήση μη-γραμμικών δυναμικών απεικονίσεων. Η αξιοποίηση των ιδιοτήτων του χάους στην κρυπτογραφία έχει αποτελέσει αντικείμενο μελέτης τα τελευταία χρόνια από τους ερευνητές λόγω της αποδεδειγμένης πολυπλοκότητας των συστημάτων του και των ιδιαίτερων στατιστικών ιδιοτήτων τους. Η διατριβή συνεισφέρει προτείνοντας ένα νέο συμμετρικό κρυπτοσύστημα που βασίζεται σε περιοδικές δυναμικές τροχιές και παρουσιάζει και τρεις τροποποιήσεις του που το καθιστούν ιδιαίτερα σθεναρό απέναντι στις συνήθεις κρυπταναλυτικές επιθέσεις. Δίνεται επίσης το υπολογιστικό κόστος κρυπτογράφησης και αποκρυπτογράφης του προτεινόμενου σχήματος και παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα που δείχνουν ότι η δομή των κρυπτογραφημάτων του κρυπτοσυστήματος δεν παρέχει πληροφορία για την ύπαρξη τυχόν μοτίβων στο αρχικό κείμενο. Τέλος, στην διατριβή αυτή προτείνονται δύο πρωτόκολλα για την ασφαλή ηλεκτρονική συγκέντρωση δεδομένων. Η συγκέντρωση δεδομένων από διαφορετικές βάσεις με ασφάλεια και ιδιωτικότητα θα ήταν σημαντική για την μελέτη των γνώσεων που ενυπάρχουν στα δεδομένα αυτά, με διάφορες μεθόδους εξόρυξης δεδομένων και ανάλυσης, καθώς οι γνώσεις αυτές ενδεχομένως δεν θα μπορούσαν να αποκαλυφθούν από την επιμέρους μελέτη των δεδομένων χωριστά από κάθε βάση. Τα δύο πρωτόκολλα που προτείνονται βασίζονται σε τροποποιήσεις πρωτοκόλλων ηλεκτρονικών εκλογών με τρόπο τέτοιο ώστε να ικανοποιούνται τα απαραίτητα κριτήρια ασφάλειας και ιδιωτικότητας που απαιτούνται για την συγκέντρωση των δεδομένων. Η βασική διαφορά των δύο πρωτοκόλλων είναι ότι στο ένα γίνεται χρήση έμπιστου τρίτου μέλους για την συγκέντρωση των δεδομένων, ενώ στο δεύτερο όχι. Και στις δύο περιπτώσεις, παρουσιάζεται ανάλυση της ασφάλειας των σχημάτων αλλά και της πολυπλοκότητάς τους αναφορικά με το υπολογιστικό τους κόστος. / In this PhD thesis we study problems of cryptography and cryptanalysis through Computational Intelligence methods and computational mathematics. Furthermore, we examine the establishment and security of new privacy preserving protocols for electronic data gathering. Part I is dedicated to the application of Computational Intelligence (CI) methods, namely Evolutionary Computation (EC) methods and Artificial Neural Networks (ANNs), for solving problems of cryptology. Initially, three problems of cryptanalysis are formulated as discrete optimization tasks and Evolutionary Computation methods are utilized to address them. The first conclusion derived by these experiments is that when EC methods are applied to cryptanalysis special attention must be paid to the design of the fitness function so as to include as much information as possible for the target problem. The second conclusion is that when EC methods (and CI methods in general) can be used as a quick practical assessment for the efficiency and the effectiveness of proposed cryptographic systems. We also apply EC methods for the cryptanalysis of Feistel ciphers and for designing strong Substitution boxes. The results show that the proposed methods are able to tackle theses problem efficiently and effectively with low cost and in automated way. Then, ANNs are employed for classical problems of cryptography as a measure of their robustness. The results show that although different topologies, training methods and formulation of the problems were tested, ANNs were able to obtain the solution of the problems at hand only for small values of their parameters. The performance of ANNs is also studied on the computation of a Boolean function derived from the use of elliptic curves in cryptographic applications. The results indicate that ANNs are able to adapt to the data presented with high accuracy, while their response to unknown data is slightly better than a random selection. Another important finding is that ANNs require a small amount of storage for the known patterns in contrast to the storage needed of the data itself. Finally, a theoretical study of the application of Ridge Polynomial Networks for the computation of the least significant bit of the discrete logarithm is presented. In Part II, computational mathematics are utilized for different cryptographic problems. Initially, we consider the Aitken and Neville inverse interpolation methods for a discrete exponential function and the Lucas logarithm function. The results indicate that the computational cost for addressing the problems through this approach is high; however interesting features regarding the degree of the resulting interpolation polynomials are reported. Next, a new symmetric key cryptosystem that exploits the idea of nonlinear mappings and their fixed points to encrypt information is presented. Furthermore, a measure of the quality of the keys used is introduced. The experimental results indicate that the proposed cryptosystem is efficient and secure to ciphertext-only attacks. Finally, three modifications of the basic cryptosystem that render it more robust are presented and efficiency issues are discussed. Finally, at Part III of the thesis, two protocols for privacy preserving electronic data gathering are proposed. The security requirements that must be met for data gathering with privacy are presented and then two protocols, based on electronic voting protocols, are analytically described. Security and complexity issues are also discussed.

An identity-based cryptosystem (IBC) is a public-key system where the public key can be represented by any arbitrary string such as an e-mail address. The notion was introduced by Shamir with the primary goal of simplifying certificate management. An identity-based signature(IBS) is the identity-based counter part of a digital signature. In the first (and primary) part of the work, we take a closer look at an IBS due to Galindo and Garcia–GG-IBS, for short. GG-IBS is derived through a simple and elegant concatenation of two Schnorr signatures and, importantly, does not rely on pairing. The security is established through two algorithms (both of) which use the Multiple-Forking(MF) Algorithm to reduce the problem of computing the discrete logarithm to breaking the IBS. Our focus is on the security argument : It turns out that the argument is flawed and, as a remedy, we sketch a new security argument. However, the resulting security bound is still quite loose, chiefly due to the usage of the MF Algorithm. We explore possible avenues for improving this bound and , to this end, introduce two notions pertaining to random oracles termed dependency and independency. Incorporating (in) dependency allows us to launch the nested replay attack far more effectively than in the MF Algorithm leading to a cleaner,(significantly) tighter security argument for GG-IBS, completing the final piece of the GG-IBS jigsaw. The second part of the work pertains to the notion of selective-identity (sID) for IBCs. The focus is on the problem of constructing a fully-secure IBS given an sID-secure IBS without using random oracles and with reasonable security degradation.

This diploma thesis is devoted to the multivariate cryptosystems. It includes an overview of commutative algebra with emphasis on Gröbner bases. Of all algorithms, especially the ones using Gröbner bases are studied, i.e. Buchberger's algorithm, which is already implemented in Wolfram Mathematica, and F4 algorithm, for which a program package has been created in the Wolfram Mathematica environment. Also Zhuang-Zi algorithm is described. To simplify its steps a program to compute the Lagrange interpolation polynomial has been created in Python.

Historically, wireless communication security solutions have heavily relied on computational methods, such as cryptographic algorithms implemented in the upper layers of the network stack. Although these methods have been effective, they may not always be sufficient to address all security threats. An alternative approach for achieving secure communication is the physical layer security approach, which utilizes the physical properties of the communication channel through appropriate coding and signal processing. The goal of this Ph.D. dissertation is to leverage the foundations of information-theoretic security to develop innovative and secure schemes, as well as code design techniques, that can enhance security and reliability in wireless communication networks. This dissertation includes three main phases of investigation. The first investigation analyzes the finite blocklength coding problem for the wiretap channel model which is equipped with the cache. The objective was to develop and analyze a new wiretap coding scheme that can be used for secure communication of sensitive data. Secondly, an investigation was conducted into information-theoretic security solutions for aeronautical mobile telemetry (AMT) systems. This included developing a secure coding technique for the integrated Network Enhanced Telemetry (iNET) communications system, as well as examining the potential of post-quantum cryptography approaches as future secrecy solutions for AMT systems. The investigation focused on exploring code-based techniques and evaluating their feasibility for implementation. Finally, the properties of nested linear codes in the wiretap channel model have been explored. Investigation in this phase began by exploring the duality relationship between equivocation matrices of nested linear codes and their corresponding dual codes. Then a new coding algorithm to construct the optimum nested linear secrecy codes has been invented. This coding algorithm leverages the aforementioned duality relationship by starting with the worst nested linear secrecy codes from the dual space. This approach enables us to derive the optimal nested linear secrecy code more efficiently and effectively than through a brute-force search for the best nested linear secrecy codes directly.

Le routage et la gestion des clés sont les plus grands défis dans les réseaux de véhicules. Un comportement de routage inapproprié peut affecter l’efficacité des communications et affecter la livraison des applications liées à la sécurité. D’autre part, la gestion des clés, en particulier en raison de l’utilisation de la gestion des certificats PKI, peut entraîner une latence élevée, ce qui peut ne pas convenir à de nombreuses applications critiques. Pour cette raison, nous proposons deux modèles de confiance pour aider le protocole de routage à sélectionner un chemin de bout en bout sécurisé pour le transfert. Le premier modèle se concentre sur la détection de noeuds égoïstes, y compris les attaques basées sur la réputation, conçues pour compromettre la «vraie» réputation d’un noeud. Le second modèle est destiné à détecter les redirecteurs qui modifient le contenu d’un paquet avant la retransmission. Dans la gestion des clés, nous avons développé un système de gestion des clés d’authentification et de sécurité (SA-KMP) qui utilise une cryptographie symétrique pour protéger la communication, y compris l’élimination des certificats pendant la communication pour réduire les retards liés à l’infrastructure PKI. / Routing and key management are the biggest challenges in vehicular networks. Inappropriate routing behaviour may affect the effectiveness of communications and affect the delivery of safety-related applications. On the other hand, key management, especially due to the use of PKI certificate management, can lead to high latency, which may not be suitable for many time-critical applications. For this reason, we propose two trust models to assist the routing protocol in selecting a secure end-to-end path for forwarding. The first model focusses on detecting selfish nodes, including reputation-based attacks, designed to compromise the “true” reputation of a node. The second model is intended to detect forwarders that modify the contents of a packet before retransmission. In key management, we have developed a Secure and Authentication Key Management Protocol (SA-KMP) scheme that uses symmetric cryptography to protect communication, including eliminating certificates during communication to reduce PKI-related delays.