Submitted by Lucelia Lucena (lucelia.lucena@ufpe.br) on 2015-03-09T19:08:53Z No. of bitstreams: 2 DISSERTAÇÃO Laécio Araújo Costa.pdf: 3437666 bytes, checksum: 478f05a3dafea12ef059cfeefd8a8c32 (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-03-09T19:08:53Z (GMT). No. of bitstreams: 2 DISSERTAÇÃO Laécio Araújo Costa.pdf: 3437666 bytes, checksum: 478f05a3dafea12ef059cfeefd8a8c32 (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Previous issue date: 2014-06-06 / FACEPE / Nesta era digital, organizações produzem um grande volume de dados, e armazenar estes dados de forma que se garanta a sua segurança, privacidade, confidencialidade e integridade é uma necessidade ainda maior quando se está conectado à rede mundial de computadores. Além do serviço de armazenamento, as organizações e usuários necessitam recuperar informações úteis a partir de diversas bases de dados (processo de mineração de dados) ou efetuar buscas de dados armazenados na nuvem. Desta forma, os usuários recorrem às técnicas criptográficas para tornar difícil o acesso por pessoas não autorizadas às informações em texto claro e garantir a segurança dos dados armazenados e processados. No processo natural de mineração de dados, os algoritmos mineradores necessitam ter acesso aos dados em seu estado original a fim de extrair as informações úteis a partir das várias bases de dados distribuídas, processo este que não preserva as propriedades como a segurança, a privacidade e o sigilo dos dados sensíveis. Com o objetivo de preservar tais propriedades é necessário executar operações com os dados em seu estado codificado protegendo as informações em todo o processo minerador. Assim, técnicas de Encriptação Completamente Homomórfica (ECH) poderão ser utilizadas na mineração de dados com esta perspectiva: preservar a segurança, a privacidade e o sigilo das informações. A privacidade homomórfica foi concebida por Rivest, Adleman e Dertouzous em 1978, a qual ficou obscura por mais de 30 anos. Somente em meados de 2009, foi que Craig Gentry conseguiu comprovar que é possível computar arbitrariamente dados codificados com a encriptação homomórfica baseado em reticulados ideais. Desta forma, o esquema proposto por Gentry foi concebido como o propulsor da ECH permitindo a computação arbitraria com o texto codificado e obter um resultado codificado que corresponde à sequência de operações realizadas no texto original. A aplicação da encriptação completamente homomórfica na mineração de dados poderá resolver problemas como a preservação do sigilo, da privacidade e da segurança dos dados durante todo o processo minerador. Assim, este trabalho objetiva identificar e selecionar os estudos relevantes que propõem algum tipo de mecanismo aplicado no processo minerador e que seja baseado na Encriptação Completamente Homomórfica. Essa seleção visa verificar se a ECH é prática, eficiente e computacionalmente viável quando aplicada na mineração de dados com o objetivo de preservar a privacidade, o sigilo e a segurança das informações. Após a análise dos estudos, conclui-se que há esforços em desenvolver protocolos para o processo minerador com base na ECH, mas que os atuais esquemas de ECH ainda não são práticos para que possam ser aplicados no processo de mineração com eficiência. No entanto, criptógrafos estão dedicando esforços visando melhorar as propostas atuais da ECH, tornando-os computacionalmente viáveis.

Neste trabalho, é proposto um esquema de cifragem e decifragem baseado em uma nova técnica de contraste de fase. Esta nova técnica, denominada \"técnica de contraste de fase de ordem zero\", transforma a modulação de fase para intensidade sem a necessidade de uma placa de alteração de fase (dot dielétrico de fase) no plano de Fourier de um correlator óptico 4f. Um processo de codificação, que não utiliza qualquer cálculo iterativo, é aplicado diretamente em uma imagem em níveis de cinza para gerar uma distribuição de fase. Em seguida, um processo de cifragem é realizado através da multiplicação da distribuição de fase por uma distribuição de fase aleatória. A vantagem deste método é o fácil esquema para recuperar a informação em níveis de cinza a partir da máscara de fase decifrada. A máscara de fase cifrada e a chave do sistema foram implementadas em SLMs (Spatial Light Modulators) do tipo LCTV (Liquid Crystal TV). As formas de codificação da imagem em níveis de cinza para gerar as máscaras de fase também foram investigadas. Como resultado, foram implementados dois tipos de EODs (Elementos Ópticos Difrativos) de fase. Um deles funciona no modo de transmissão, o outro, no modo de reflexão. Resultados experimentais mostram a aplicação da técnica de contraste de fase de ordem zero na visualização da informação codificada, tanto em SLM quanto em EODs de fase, e na verificação de padrões cifrados. / In this work, an encryption and decryption scheme based on a new phase contrast technique is proposed. This new technique, called the zero order phase contrast technique, transforma the phase modulation to intensity without the necessity of a phase-changing plate (phase dielectric dot) on the Fourier plane of a 4f optical correlator. A codification process, which does not use any iterative calculation, is applied directly in a gray level image to generate a phase distribution. After this, an encryption process is applied multiplying the phase distribution by a random phase distribution. The advantage of this method is the easy scheme to recover the gray level information from the decryption phase mask. The encrypted phase mask and the key of the system were implemented on Spatial Light Modulators of the kind LCTV. The encoding ways were investigated to generate the phase masks from gray level image, by implementing two kinds of phase Diffractive Optical Elements, operating in transmission and reflection modes. Experimental results show the successfully application of the zero order phase contrast technique in the visualization of encoded information both in Spatial Light Modulators and in phase only Diffractive Optical Elements as well as in the verification of encrypted patterns.

Reticulados têm sido aplicados de diferentes maneiras em criptografia. Inicialmente utilizados para a destruição de criptossistemas, eles foram posteriormente aplicados na construção de novos esquemas, incluindo criptossistemas assimétricos, esquemas de assinatura cega e os primeiros métodos para encriptação completamente homomórfica. Contudo, seu desempenho ainda é proibitivamente lenta em muitos casos. Neste trabalho, expandimos técnicas originalmente desenvolvidas para encriptação homomórfica, tornando-as mais genéricas e aplicando-as no esquema GGH-YK-M, um esquema de encriptação de chave pública, e no esquema LMSV, a única construção homomórfica que não sucumbiu a ataques de recuperação de chaves IND-CCA1 até o momento. Em nossos testes, reduzimos o tamanho das chaves do GGH-YK-M em uma ordem de complexidade, especificamente, de O(n2 lg n) para O(n lg n), onde n é um parâmetro público do esquema. A nova técnica também atinge processamento mais rápido em todas as operações envolvidas em um criptossistema assimétrico, isto é, geração de chaves, encriptação e decriptação. A melhora mais significativa é na geração de chaves, que se torna mais de 3 ordens de magnitude mais rápida que resultados anteriores, enquanto a encriptação se torna por volta de 2 ordens de magnitude mais rápida. Para decriptação, nossa implementação é dez vezes mais rápida que a literatura. Também mostramos que é possível aumentar a segurança do esquema LMSV contra os ataques quânticos de recuperação de chaves recentemente publicados pela agência britânica GCHQ. Isso é feito através da adoção de reticulados não-ciclotômicos baseados em anéis polinomiais irredutíveis quase-circulantes. Em nossa implementação, o desempenho da encriptação é virtualmente idêntico, e a decriptação torna-se ligeiramente inferior, um pequeno preço a se pagar pelo aumento de segurança. A geração de chaves, porém, é muito mais lenta, devido à necessidade de se utilizar um método mais genérico e caro. A existência de métodos dedicados altamente eficientes para a geração de chaves nesta variante mais segura do LMSV permanece como um problema em aberto. / Lattices have been applied in many different ways in cryptography. Firstly used for the destruction of cryptosystems, they were later applied in the construction of new schemes, including asymmetric cryptosystems, blind signature schemes and the first methods for fully homomorphic encryption. Nonetheless, performance is still prohibitively slow in many cases. In this work, we expand techniques originally devised for homomorphic encryption, making them more general and applying them to the GGH-YK-M cryptosystem, a lattice-based public-key cryptosystem, and to the LMSV scheme, the only known homomorphic scheme that has not succumbed to INDCCA1 key recovery attacks to this date. In our tests, we reduce public key bandwidth occupation of GGH-YK-M by an order of complexity, specifically, from O(n2 lg n) down to O(n lg n) bits, where n is a public parameter of the scheme. The new technique also attains faster processing in all operations involved in an asymmetric cryptosystem, that is, key generation, encryption, and decryption. The most significant improvement in performance is in key generation, which becomes more than 3 orders of magnitude faster than previous results, while encryption becomes about 2 orders of magnitude faster. For decryption, our implementation is ten times faster than the literature. We also show that it is possible to improve security of LMSV against the quantum key recovery attacks recently published by British GCHQ.We do so by adopting non-cyclotomic lattices based on nearly-circulant irreducible polynomial rings. In our implementation, performance of encryption remains virtually the same, and decryption becomes slightly worse, a small price to pay for the improved security. Key generation, however, is much slower, due to the fact that it is necessary to use a more generic and expensive method. The existence of highly effcient dedicated methods for key generation of this secure variant of LMSV remains as an open problem.

Reticulados têm sido aplicados de diferentes maneiras em criptografia. Inicialmente utilizados para a destruição de criptossistemas, eles foram posteriormente aplicados na construção de novos esquemas, incluindo criptossistemas assimétricos, esquemas de assinatura cega e os primeiros métodos para encriptação completamente homomórfica. Contudo, seu desempenho ainda é proibitivamente lenta em muitos casos. Neste trabalho, expandimos técnicas originalmente desenvolvidas para encriptação homomórfica, tornando-as mais genéricas e aplicando-as no esquema GGH-YK-M, um esquema de encriptação de chave pública, e no esquema LMSV, a única construção homomórfica que não sucumbiu a ataques de recuperação de chaves IND-CCA1 até o momento. Em nossos testes, reduzimos o tamanho das chaves do GGH-YK-M em uma ordem de complexidade, especificamente, de O(n2 lg n) para O(n lg n), onde n é um parâmetro público do esquema. A nova técnica também atinge processamento mais rápido em todas as operações envolvidas em um criptossistema assimétrico, isto é, geração de chaves, encriptação e decriptação. A melhora mais significativa é na geração de chaves, que se torna mais de 3 ordens de magnitude mais rápida que resultados anteriores, enquanto a encriptação se torna por volta de 2 ordens de magnitude mais rápida. Para decriptação, nossa implementação é dez vezes mais rápida que a literatura. Também mostramos que é possível aumentar a segurança do esquema LMSV contra os ataques quânticos de recuperação de chaves recentemente publicados pela agência britânica GCHQ. Isso é feito através da adoção de reticulados não-ciclotômicos baseados em anéis polinomiais irredutíveis quase-circulantes. Em nossa implementação, o desempenho da encriptação é virtualmente idêntico, e a decriptação torna-se ligeiramente inferior, um pequeno preço a se pagar pelo aumento de segurança. A geração de chaves, porém, é muito mais lenta, devido à necessidade de se utilizar um método mais genérico e caro. A existência de métodos dedicados altamente eficientes para a geração de chaves nesta variante mais segura do LMSV permanece como um problema em aberto. / Lattices have been applied in many different ways in cryptography. Firstly used for the destruction of cryptosystems, they were later applied in the construction of new schemes, including asymmetric cryptosystems, blind signature schemes and the first methods for fully homomorphic encryption. Nonetheless, performance is still prohibitively slow in many cases. In this work, we expand techniques originally devised for homomorphic encryption, making them more general and applying them to the GGH-YK-M cryptosystem, a lattice-based public-key cryptosystem, and to the LMSV scheme, the only known homomorphic scheme that has not succumbed to INDCCA1 key recovery attacks to this date. In our tests, we reduce public key bandwidth occupation of GGH-YK-M by an order of complexity, specifically, from O(n2 lg n) down to O(n lg n) bits, where n is a public parameter of the scheme. The new technique also attains faster processing in all operations involved in an asymmetric cryptosystem, that is, key generation, encryption, and decryption. The most significant improvement in performance is in key generation, which becomes more than 3 orders of magnitude faster than previous results, while encryption becomes about 2 orders of magnitude faster. For decryption, our implementation is ten times faster than the literature. We also show that it is possible to improve security of LMSV against the quantum key recovery attacks recently published by British GCHQ.We do so by adopting non-cyclotomic lattices based on nearly-circulant irreducible polynomial rings. In our implementation, performance of encryption remains virtually the same, and decryption becomes slightly worse, a small price to pay for the improved security. Key generation, however, is much slower, due to the fact that it is necessary to use a more generic and expensive method. The existence of highly effcient dedicated methods for key generation of this secure variant of LMSV remains as an open problem.

Neste trabalho, é proposto um esquema de cifragem e decifragem baseado em uma nova técnica de contraste de fase. Esta nova técnica, denominada \"técnica de contraste de fase de ordem zero\", transforma a modulação de fase para intensidade sem a necessidade de uma placa de alteração de fase (dot dielétrico de fase) no plano de Fourier de um correlator óptico 4f. Um processo de codificação, que não utiliza qualquer cálculo iterativo, é aplicado diretamente em uma imagem em níveis de cinza para gerar uma distribuição de fase. Em seguida, um processo de cifragem é realizado através da multiplicação da distribuição de fase por uma distribuição de fase aleatória. A vantagem deste método é o fácil esquema para recuperar a informação em níveis de cinza a partir da máscara de fase decifrada. A máscara de fase cifrada e a chave do sistema foram implementadas em SLMs (Spatial Light Modulators) do tipo LCTV (Liquid Crystal TV). As formas de codificação da imagem em níveis de cinza para gerar as máscaras de fase também foram investigadas. Como resultado, foram implementados dois tipos de EODs (Elementos Ópticos Difrativos) de fase. Um deles funciona no modo de transmissão, o outro, no modo de reflexão. Resultados experimentais mostram a aplicação da técnica de contraste de fase de ordem zero na visualização da informação codificada, tanto em SLM quanto em EODs de fase, e na verificação de padrões cifrados. / In this work, an encryption and decryption scheme based on a new phase contrast technique is proposed. This new technique, called the zero order phase contrast technique, transforma the phase modulation to intensity without the necessity of a phase-changing plate (phase dielectric dot) on the Fourier plane of a 4f optical correlator. A codification process, which does not use any iterative calculation, is applied directly in a gray level image to generate a phase distribution. After this, an encryption process is applied multiplying the phase distribution by a random phase distribution. The advantage of this method is the easy scheme to recover the gray level information from the decryption phase mask. The encrypted phase mask and the key of the system were implemented on Spatial Light Modulators of the kind LCTV. The encoding ways were investigated to generate the phase masks from gray level image, by implementing two kinds of phase Diffractive Optical Elements, operating in transmission and reflection modes. Experimental results show the successfully application of the zero order phase contrast technique in the visualization of encoded information both in Spatial Light Modulators and in phase only Diffractive Optical Elements as well as in the verification of encrypted patterns.

Prover segurança às informações trafegadas nos mais diversos tipos de redes é algo essencial. Entretanto, redes altamente dependentes de dispositivos com recursos limitados (como sensores, tokens e smart cards) apresentam um desafio importante: a reduzida disponibilidade de memória e energia destes dispositivos, bem como sua baixa capacidade de processamento, dificultam a utilização de diversos algoritmos criptográficos considerados seguros atualmente. Este é o caso não apenas de cifras simétricas, que proveem confidencialidade aos dados, mas também de MACs (Message Authentication Code, ou Código de Autenticação de Mensagem), que garantem sua integridade e autenticidade. De fato, algumas propostas recentes de cifras de bloco dedicadas a plataformas limitadas (e.g., o Curupira-2) proveem segurança e desempenho em um nível mais adequado a este tipo de cenário do que soluções tradicionais. Seguindo uma linha semelhante, o presente trabalho concentra-se no projeto e análise MACs leves e seguros voltados a cenários com recursos limitados, com foco especial em redes de sensores sem fio (RSSF). Marvin é o nome do algoritmo de MAC proposto neste trabalho. Marvin adota a estrutura Alred, que reutiliza porções de código de uma cifra de bloco subjacente e, assim, introduz um reduzido impacto em termos de ocupação de memória. Este algoritmo apresenta uma estrutura bastante flexível e é altamente paralelizável, permitindo diversas otimizações em função dos recursos disponíveis na plataforma alvo. Como vantagem adicional, Marvin pode ser usado tanto em cenários que necessitam apenas da autenticação de mensagens quanto em esquemas de AEAD (Authenticated- Encryption with Associated Data, ou Encriptação Autenticada com Dados Associados), que aliam encriptação e autenticação. O esquema de AEAD proposto neste trabalho, denominado LetterSoup, explora as características da estrutura do Mar vin e adota uma cifra de bloco operando no modo LFSRC (Linear Feedback Shift Register Counter, ou Contador-Registrador de Deslocamento Linear com Retroalimentação). Além da especificação de ambos os algoritmos, este documento apresenta uma análise detalhada da segurança e desempenho dos mesmos em alguns cenários representativos. / Security is an important concern in any modern network. However, networks that are highly dependent on constrained devices (such as sensors, tokens and smart cards) impose a difficult challenge: their reduced availability of memory, processing power and (specially) energy hinders the deployment of many modern cryptographic algorithms known to be secure. This inconvenience affects not only the deployment of symmetric ciphers, which provide data confidentiality, but also Message Authentication Codes (MACs), used to attest the messages integrity and authenticity. Due to the existence of dedicated block ciphers whose performance and security are adequate for use in resource-constrained scenarios (e.g., the Curupira-2), the focus of this document is on the design and analysis of message authentication algorithms. Our goal is to develop a secure and lightweight solution for deployment on resource constrained scenarios, with especial focus on Wireless Sensor Networks (WSNs). Marvin is the name of the MAC algorithm proposed in this document. Marvin adopts the Alred structure, allowing it to reuse parts of an underlying block cipher machinery; as a result, Marvins implementation builds on the ciphers efficiency and introduces little impact in terms of memory occupation. Moreover, this algorithm presents a flexible and highly parallelizable structure, allowing many implementation optimizations depending on the resources available on the target platform. Marvin can be used not only as an authentication-only function, but also in an Authenticated- Encryption with Associated Data (AEAD) scheme, combining authentication and encryption. In this document, we define a new AEAD proposal called LetterSoup, which is based on the LFSRC (Linear Feedback Shift Register Counter) mode of operation and builds on Marvin. Together with the specification of both algorithms, we provide a detailed security analysis and evaluate their performance in some representative scenarios.

Prover segurança às informações trafegadas nos mais diversos tipos de redes é algo essencial. Entretanto, redes altamente dependentes de dispositivos com recursos limitados (como sensores, tokens e smart cards) apresentam um desafio importante: a reduzida disponibilidade de memória e energia destes dispositivos, bem como sua baixa capacidade de processamento, dificultam a utilização de diversos algoritmos criptográficos considerados seguros atualmente. Este é o caso não apenas de cifras simétricas, que proveem confidencialidade aos dados, mas também de MACs (Message Authentication Code, ou Código de Autenticação de Mensagem), que garantem sua integridade e autenticidade. De fato, algumas propostas recentes de cifras de bloco dedicadas a plataformas limitadas (e.g., o Curupira-2) proveem segurança e desempenho em um nível mais adequado a este tipo de cenário do que soluções tradicionais. Seguindo uma linha semelhante, o presente trabalho concentra-se no projeto e análise MACs leves e seguros voltados a cenários com recursos limitados, com foco especial em redes de sensores sem fio (RSSF). Marvin é o nome do algoritmo de MAC proposto neste trabalho. Marvin adota a estrutura Alred, que reutiliza porções de código de uma cifra de bloco subjacente e, assim, introduz um reduzido impacto em termos de ocupação de memória. Este algoritmo apresenta uma estrutura bastante flexível e é altamente paralelizável, permitindo diversas otimizações em função dos recursos disponíveis na plataforma alvo. Como vantagem adicional, Marvin pode ser usado tanto em cenários que necessitam apenas da autenticação de mensagens quanto em esquemas de AEAD (Authenticated- Encryption with Associated Data, ou Encriptação Autenticada com Dados Associados), que aliam encriptação e autenticação. O esquema de AEAD proposto neste trabalho, denominado LetterSoup, explora as características da estrutura do Mar vin e adota uma cifra de bloco operando no modo LFSRC (Linear Feedback Shift Register Counter, ou Contador-Registrador de Deslocamento Linear com Retroalimentação). Além da especificação de ambos os algoritmos, este documento apresenta uma análise detalhada da segurança e desempenho dos mesmos em alguns cenários representativos. / Security is an important concern in any modern network. However, networks that are highly dependent on constrained devices (such as sensors, tokens and smart cards) impose a difficult challenge: their reduced availability of memory, processing power and (specially) energy hinders the deployment of many modern cryptographic algorithms known to be secure. This inconvenience affects not only the deployment of symmetric ciphers, which provide data confidentiality, but also Message Authentication Codes (MACs), used to attest the messages integrity and authenticity. Due to the existence of dedicated block ciphers whose performance and security are adequate for use in resource-constrained scenarios (e.g., the Curupira-2), the focus of this document is on the design and analysis of message authentication algorithms. Our goal is to develop a secure and lightweight solution for deployment on resource constrained scenarios, with especial focus on Wireless Sensor Networks (WSNs). Marvin is the name of the MAC algorithm proposed in this document. Marvin adopts the Alred structure, allowing it to reuse parts of an underlying block cipher machinery; as a result, Marvins implementation builds on the ciphers efficiency and introduces little impact in terms of memory occupation. Moreover, this algorithm presents a flexible and highly parallelizable structure, allowing many implementation optimizations depending on the resources available on the target platform. Marvin can be used not only as an authentication-only function, but also in an Authenticated- Encryption with Associated Data (AEAD) scheme, combining authentication and encryption. In this document, we define a new AEAD proposal called LetterSoup, which is based on the LFSRC (Linear Feedback Shift Register Counter) mode of operation and builds on Marvin. Together with the specification of both algorithms, we provide a detailed security analysis and evaluate their performance in some representative scenarios.