This thesis deals with multivariate cryptography. It includes specifically a description of the MQ problem and the proof of it's NP-completness. In the part of the MQ problem there is a description of a general pattern for the creation of the public part of asymetric cryptosystems based on the MQ problem. It this part the thesis describes the QMLE problem, which is important for the figure of the cryptosystem private key based on the MQ problem. Further, the thesis includes a description of the influence of the structure display, which appears in the QMLE problem, on time solution complexity of QMLE problem. The influence of time complexity has been detected by means of experimental measurement with programed algorithm. At the end of the thesis there is specified description of selected multivariety cryptosystems based on the MQ problem. Selected cryptosystems are provided with detailed description of encryption and decryption by means of selected cryptosystems and time estimations of these operations. The thesis includes estimations of memory requirements on saving of private and public key of the selected cryptosystems. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

Atualmente, podemos perceber que uma grande dependência dos sistemas desenvolvidos sob a seara da criptografia foi instaurada em todos nós. Principalmente no tocante dos sistemas criptográficos de chave pública, que são vastamente utilizados na Internet. No entanto, a criptografia de chave pública viu-se ameaçada e começou a investigar novas fontes de problemas para seus sistemas quando Shor em 1997 desenvolveu um algoritmo de tempo polinomial para fatorar inteiros e para calcular o logaritmo discreto em um computador quântico. Neste contexto, Patarin propõe a função alçapão HFE (Hidden Field Equations), uma trapdoor baseada nos Problemas MQ (Multivariate Quadratic) e IP (Isomorfismo de Polinômios). Tais problemas não são afetados pelo algoritmo de Shor, além disto o Problema MQ foi demonstrado por Patarin e Goubin como sendo NP-completo. Apesar do HFE ter sua versão básica quebrada, ele apresenta variações -- obtidas através de modificadores genéricos -- resistentes aos principais ataques da atualidade. O Quartz -- esquema de assinatura digital baseado no HFEv-, com escolha especial de parâmetros -- é um bom exemplo desta resistência a ataques algébricos que visem a recuperação da chave privada, pois até hoje permanece seguro. Além de também se destacar por gerar assinaturas curtas. Todavia, Joux e Martinet -- baseados em axiomas do Ataque pelo Paradoxo de Aniversário -- provaram que o Quartz é maleável, demonstrando que caso o adversário possua um par (mensagem, assinatura) válido, ele conseguirá obter uma segunda assinatura com 2^(50) computações e 2^(50) chamadas ao oráculo de assinatura, logo muito abaixo dos padrões de segurança atuais que são de, no mínimo, 2^(112). Desta forma, baseado no Quartz, apresentamos um novo esquema de assinatura digital resistente a ataques adaptativos de mensagem escolhida que realizem chamadas ao oráculo aleatório, com um nível de segurança estimado em 2^(112). Nosso criptossistema proporciona, ainda, um ganho de eficiência no algoritmo de verificação de assinatura e na inicialização dos vetores que serão utilizados pelos algoritmos de assinatura e verificação. Além de, também, disponibilizarmos uma implementação do Quartz Original e do Quartz Aprimorado, na linguagem de programação Java. / Today, we can see that a large dependence of the systems developed under the cryptography was introduced in all of us. Especially in terms of public key cryptosystems, which are widely used on the Internet. However, public key cryptography was threatened and began to investigate new sources of problems for their systems when Shor in 1997 developed a polynomial time algorithm for factoring integers and to compute the discrete logarithm in a quantum computer. In this context, Patarin proposed Hidden Field Equations (HFE), a trapdoor based on MQ (Multivariate Quadratic) and IP (Isomorphism of Polynomials) problems. Such problems are not affected by the Shor algorithm, moreover MQ Problem was demonstrate by Patarin and Goubin as NP-complete. Despite the basic HFE has broken, it varies secure, obtained by generic modification. The Quartz -- digital signature scheme based on HFEv-, with special choice of parameters -- is a good example of this resistance to algebraic attacks aimed at the recovery of the private key, because even today remains secure. Furthermore, it also generates short signatures. However, Joux and Martinet -- based on axioms of Birthday Paradox Attack -- proved that Quartz is malleable, showing that if the adversary has a pair (message, signature) valid, he can get a second signature with 2^(50) computations and 2^(50) calls to the signing oracle, so far the current security standards that are at least 2^(112). Thus, based on Quartz, we present a new digital signature scheme, achieving the adaptive chosen message attacks that make calls to the random oracle, with a secure level estimated at 2^(112). Our cryptosystem also provides an efficiency gain in signature verification algorithm and initialization vectors that will be used for signing and verification algorithms. Further we provide an implementation of Original Quartz and Enhanced Quartz in the Java programming language.

Atualmente, podemos perceber que uma grande dependência dos sistemas desenvolvidos sob a seara da criptografia foi instaurada em todos nós. Principalmente no tocante dos sistemas criptográficos de chave pública, que são vastamente utilizados na Internet. No entanto, a criptografia de chave pública viu-se ameaçada e começou a investigar novas fontes de problemas para seus sistemas quando Shor em 1997 desenvolveu um algoritmo de tempo polinomial para fatorar inteiros e para calcular o logaritmo discreto em um computador quântico. Neste contexto, Patarin propõe a função alçapão HFE (Hidden Field Equations), uma trapdoor baseada nos Problemas MQ (Multivariate Quadratic) e IP (Isomorfismo de Polinômios). Tais problemas não são afetados pelo algoritmo de Shor, além disto o Problema MQ foi demonstrado por Patarin e Goubin como sendo NP-completo. Apesar do HFE ter sua versão básica quebrada, ele apresenta variações -- obtidas através de modificadores genéricos -- resistentes aos principais ataques da atualidade. O Quartz -- esquema de assinatura digital baseado no HFEv-, com escolha especial de parâmetros -- é um bom exemplo desta resistência a ataques algébricos que visem a recuperação da chave privada, pois até hoje permanece seguro. Além de também se destacar por gerar assinaturas curtas. Todavia, Joux e Martinet -- baseados em axiomas do Ataque pelo Paradoxo de Aniversário -- provaram que o Quartz é maleável, demonstrando que caso o adversário possua um par (mensagem, assinatura) válido, ele conseguirá obter uma segunda assinatura com 2^(50) computações e 2^(50) chamadas ao oráculo de assinatura, logo muito abaixo dos padrões de segurança atuais que são de, no mínimo, 2^(112). Desta forma, baseado no Quartz, apresentamos um novo esquema de assinatura digital resistente a ataques adaptativos de mensagem escolhida que realizem chamadas ao oráculo aleatório, com um nível de segurança estimado em 2^(112). Nosso criptossistema proporciona, ainda, um ganho de eficiência no algoritmo de verificação de assinatura e na inicialização dos vetores que serão utilizados pelos algoritmos de assinatura e verificação. Além de, também, disponibilizarmos uma implementação do Quartz Original e do Quartz Aprimorado, na linguagem de programação Java. / Today, we can see that a large dependence of the systems developed under the cryptography was introduced in all of us. Especially in terms of public key cryptosystems, which are widely used on the Internet. However, public key cryptography was threatened and began to investigate new sources of problems for their systems when Shor in 1997 developed a polynomial time algorithm for factoring integers and to compute the discrete logarithm in a quantum computer. In this context, Patarin proposed Hidden Field Equations (HFE), a trapdoor based on MQ (Multivariate Quadratic) and IP (Isomorphism of Polynomials) problems. Such problems are not affected by the Shor algorithm, moreover MQ Problem was demonstrate by Patarin and Goubin as NP-complete. Despite the basic HFE has broken, it varies secure, obtained by generic modification. The Quartz -- digital signature scheme based on HFEv-, with special choice of parameters -- is a good example of this resistance to algebraic attacks aimed at the recovery of the private key, because even today remains secure. Furthermore, it also generates short signatures. However, Joux and Martinet -- based on axioms of Birthday Paradox Attack -- proved that Quartz is malleable, showing that if the adversary has a pair (message, signature) valid, he can get a second signature with 2^(50) computations and 2^(50) calls to the signing oracle, so far the current security standards that are at least 2^(112). Thus, based on Quartz, we present a new digital signature scheme, achieving the adaptive chosen message attacks that make calls to the random oracle, with a secure level estimated at 2^(112). Our cryptosystem also provides an efficiency gain in signature verification algorithm and initialization vectors that will be used for signing and verification algorithms. Further we provide an implementation of Original Quartz and Enhanced Quartz in the Java programming language.

Os sistemas criptográficos de chave pública amplamente utilizados hoje em dia tem sua segurança baseada na suposição da intratabilidade dos problemas de fatoração de inteiros e do logaritmo discreto, sendo que ambos foram demonstrados inseguros sob o advento dos computadores quânticos. Sistemas criptográficos baseados em Multivariáveis Quadráticas (MQ) utilizam como base o problema MQ, que consiste em resolver um sistema de equações polinomiais multivariáveis quadráticas sobre um corpo finito. O problema MQ foi provado como sendo NP-completo e até hoje não se conhece algoritmo, nem mesmo quântico, de tempo polinomial que possa resolver o problema, fazendo com que sistemas criptográficos baseados nesta primitiva mereçam ser investigados e desenvolvidos como reais candidatos a proverem nossa criptografia pós-quântica. Durante a CRYPTO\'2011 Sakumoto, Shirai e Hiwatari introduziram dois novos protocolos de identificação baseados em polinômios multivariáveis quadráticos, os quais chamamos de MQID-3 e MQID-5, e que em especial e pela primeira vez, tem sua segurança reduzida apenas ao problema MQ. Baseados nestas propostas iremos apresentar uma versão aprimorada do protocolo MQID-3 na qual teremos uma redução da comunicação necessária em aproximadamente 9%. / The public-key cryptography widely used nowadays have their security based on the assumption of the intractability of the problems of integer factorization and discrete logarithm, both of which were proven unsafe in the advent of quantum computers. Cryptographic systems based on Multivariate Quadratic polynomials (MQ) are based on the MQ problem, which consists in solve a system of multivariate quadratic polynomials over a finite field. The MQ problem has been proven NP-complete and so far no polynomial time algorithm is known, not even quantum, which would resolve this problem, making worthwhile to be investigated and developed as a real candidate to provide post-quantum cryptography. In CRYPTO\'2011 Sakumoto, Shirai and Hiwatari introduced two new identification protocols based on multivariate quadratic polynomials, which we call MQID-3 and MQID-5, in particular, for the first time, their security is based only on the MQ problem. Using these proposals, we will present an improved version of the protocol MQID-3 that reduces communication by approximately 9%.

Os sistemas criptográficos de chave pública amplamente utilizados hoje em dia tem sua segurança baseada na suposição da intratabilidade dos problemas de fatoração de inteiros e do logaritmo discreto, sendo que ambos foram demonstrados inseguros sob o advento dos computadores quânticos. Sistemas criptográficos baseados em Multivariáveis Quadráticas (MQ) utilizam como base o problema MQ, que consiste em resolver um sistema de equações polinomiais multivariáveis quadráticas sobre um corpo finito. O problema MQ foi provado como sendo NP-completo e até hoje não se conhece algoritmo, nem mesmo quântico, de tempo polinomial que possa resolver o problema, fazendo com que sistemas criptográficos baseados nesta primitiva mereçam ser investigados e desenvolvidos como reais candidatos a proverem nossa criptografia pós-quântica. Durante a CRYPTO\'2011 Sakumoto, Shirai e Hiwatari introduziram dois novos protocolos de identificação baseados em polinômios multivariáveis quadráticos, os quais chamamos de MQID-3 e MQID-5, e que em especial e pela primeira vez, tem sua segurança reduzida apenas ao problema MQ. Baseados nestas propostas iremos apresentar uma versão aprimorada do protocolo MQID-3 na qual teremos uma redução da comunicação necessária em aproximadamente 9%. / The public-key cryptography widely used nowadays have their security based on the assumption of the intractability of the problems of integer factorization and discrete logarithm, both of which were proven unsafe in the advent of quantum computers. Cryptographic systems based on Multivariate Quadratic polynomials (MQ) are based on the MQ problem, which consists in solve a system of multivariate quadratic polynomials over a finite field. The MQ problem has been proven NP-complete and so far no polynomial time algorithm is known, not even quantum, which would resolve this problem, making worthwhile to be investigated and developed as a real candidate to provide post-quantum cryptography. In CRYPTO\'2011 Sakumoto, Shirai and Hiwatari introduced two new identification protocols based on multivariate quadratic polynomials, which we call MQID-3 and MQID-5, in particular, for the first time, their security is based only on the MQ problem. Using these proposals, we will present an improved version of the protocol MQID-3 that reduces communication by approximately 9%.