Title: Goppa codes and their applications Author: Bc. Jaroslav Kotil Department: Department of algebra Supervisor: prof. RNDr. Aleš Drápal, CSc., DSc. Abstract: In this diploma paper we introduce Goppa codes, describe their para- metres and inclusion in Alternant codes, which are residual Generalized Reed- Solomon codes, and Algebraic-geometry codes. Aftewards we demonstrate deco- ding of Goppa codes and introduce Wild Goppa codes. We also describe post- quantum cryptography member: McEliece cryptosystem for which no effective attacks with quantum computers are known. We outline a usage of this crypto- system with Goppa codes and describe the security of the cryptosystem together with possible attacks of which the most effective ones are based on information- set decoding. Keywords: Goppa codes, Generalized Reed-Solomon codes, Algebraic-geometry codes, Post-quantum cryptography, McEliece cryptosystem 1

As quantum computers continue to develop, they pose a threat to cryptography since many popular cryptosystems will be rendered vulnerable. This is because the security of most currently used asymmetric systems requires the computational hardness of the integer factorization problem, the discrete logarithm or the elliptic curve discrete logarithm problem. However, there are still some cryptosystems that resist quantum computing. We will look at code-based cryptography in general and the McEliece cryptosystem specifically. Our goal is to understand the structure behind the McEliece scheme, including the encryption and decryption processes, and what some advantages and disadvantages are that the system has to offer. In addition, using the results from Courtois, Finiasz, and Sendrier's paper in 2001, we will discuss a digital signature scheme based on the McEliece cryptosystem. We analyze one classical algebraic attack against the security analysis of the system based on the distinguishing problem whether the public key of the McEliece scheme is generated from a generating matrix of a binary Goppa code or a random binary matrix. The idea of the attack involves solving an algebraic system of equations and we examine the dimension of the solution space of the linearized system of equations. With the assistance from a paper in 2010 by Faugere, Gauthier-Umana, Otmani, Perret, Tillich, we will see the parameters needed for the intractability of the distinguishing problem. / Includes bibliography. / Thesis (M.S.)--Florida Atlantic University, 2015. / FAU Electronic Theses and Dissertations Collection

La cryptographie basée sur les codes n'est pas largement déployée dans la pratique. Principalement à cause de son inconvénient majeur: des tailles de clés énormes. Dans cette thèse, nous proposons deux approches différentes pour résoudre ce problème. Le premier utilise des codes algébriques, présentant un moyen de construire des codes de Goppa qui admettent une représentation compacte. Ce sont les Codes de Goppa p-adiques. Nous montrons comment construire ces codes pour instancier des systèmes de chiffrement à clé publique, comment étendre cette approche pour instancier un schéma de signature et, enfin, comment généraliser cet approche pour définir des codes de caractéristique plus grande au égale à deux. En résumé, nous avons réussi à produire des clés très compact basé sur la renommée famille de codes de Goppa. Bien qu'efficace, codes de Goppa p-adiques ont une propriété non souhaitable: une forte structure algébrique. Cela nous amène à notre deuxième approche, en utilisant des codes LDPC avec densité augmentée, ou tout simplement des codes MDPC. Ce sont des codes basés sur des graphes, qui sont libres de structure algébrique. Il est très raisonnable de supposer que les codes MDPC sont distinguable seulement en trouvant des mots de code de poids faible dans son dual. Ceci constitue un avantage important non seulement par rapport à tous les autres variantes du système de McEliece à clés compactes, mais aussi en ce qui concerne la version classique basée sur les codes de Goppa binaires. Ici, les clés compactes sont obtenus en utilisant une structure quasi-cyclique.

Národný inštitút pre štandardy a technológie (NIST) zahájil proces na získanie, vyhodnotenie a štandardizáciu jedného alebo viacerých kryptografických algoritmov využívajúcich verejný kľúč prostredníctvom verejnej súťaže. Cieľom tejto dimplomovej práce je naštudovať dostupné postkvantové algoritmy pre ustanovenie kľúča, ktoré boli zverejnené v treťom kole tejto súťaže. Po dôkladnej analýze a porovnaní bol jeden zo študovaných algoritmov implementovaný s využitím knižníc dostupných pre daný algoritmus, následne bol program optimalizovaný a zdokumentovaný.

Asymmetric cryptography uses two keys for encryption public key and for decryption private key. The asymmetric cryptosystems include RSA, ElGamal, Elliptic Curves and others. Generally, asymmetric cryptography is mainly used for secure short messages and transmission encryption key for symmetric cryptography. The thesis deals with these systems and implements selected systems (RSA, ElGamal, McEliece, elliptic curves and NTRU) into the application. The application can test the features of chosen cryptosystems. These systems and their performance are compared and evaluated with the measured values. These results can predict the future usage of these systems in modern informatics systems.

Le premier protocole cryptographique basé sur les codes correcteurs d'erreurs a été proposé en 1978 par Robert McEliece. La cryptographie basée sur les codes est dite post-quantique car il n'existe pas à l'heure actuelle d'algorithme capable d'attaquer ce type de protocoles en temps polynomial, même en utilisant un ordinateur quantique, contrairement aux protocoles basés sur des problèmes de théorie des nombres. Toutefois, la sécurité du cryptosystème de McEliece ne repose pas uniquement sur des problèmes mathématiques. L'implantation, logicielle ou matérielle, a également un rôle très important pour sa sécurité et l'étude de celle-ci face aux attaques par canaux auxiliaires/cachés n'a débuté qu'en 2008. Des améliorations sont encore possibles. Dans cette thèse, nous proposons de nouvelles attaques sur le déchiffrement du cryptosystème de McEliece, utilisé avec les codes de Goppa classiques, ainsi que des contre-mesures correspondantes. Les attaques proposées sont des analyses de temps d'exécution ou de consommation d'énergie. Les contre-mesures associées reposent sur des propriétés mathématiques et algorithmiques. Nous montrons qu'il est essentiel de sécuriser l'algorithme de déchiffrement en le considérant dans son ensemble et non pas seulement étape par étape / The first cryptographic protocol based on error-correcting codes was proposed in 1978 by Robert McEliece. Cryptography based on codes is called post-quantum because until now, no algorithm able to attack this kind of protocols in polynomial time, even using a quantum computer, has been proposed. This is in contrast with protocols based on number theory problems like factorization of large numbers, for which efficient Shor's algorithm can be used on quantum computers. Nevertheless, the McEliece cryptosystem security is based not only on mathematical problems. Implementation (in software or hardware) is also very important for its security. Study of side-channel attacks against the McEliece cryptosystem have begun in 2008. Improvements can still be done. In this thesis, we propose new attacks against decryption in the McEliece cryptosystem, used with classical Goppa codes, including corresponding countermeasures. Proposed attacks are based on evaluation of execution time of the algorithm or its power consumption analysis. Associate countermeasures are based on mathematical and algorithmic properties of the underlying algorithm. We show that it is necessary to secure the decryption algorithm by considering it as a whole and not only step by step