Information exchange in wireless communication without being blocked by terrain or infrastructure is easier and simpler than that in the traditional wired communication environments. Due to the transmission type, anonymity is urgently required in wireless communications for concealing the footprint of mobile users. Additionally, the mobility of a mobile device may incur possible threats to the past encrypted transmitted data, where the past session keys for the encryptions of wireless communications may be derived by the long-term secret stored the mobile device if it is lost. In this thesis, we propose an efficient solution by using symmetry-based cryptosystems for forward secrecy and anonymity in the standards of mobile networks, such as GSM, UMTS, and LTE, without losing the compatibility. By adopting secret chain (SC) based mechanism, the generation of every session key involves a short-term secret, changed in every session, to achieve forward secrecy and anonymity. Furthermore, synchronization mechanism required for the SC-protocol is also proposed. For more advanced security requirements of truly non-repudiation and strong anonymity, which is additionally anonymous to systems, certificateless signatures and group signatures are applied in the authentication protocols for UMTS and VANETs. Certificateless signatures can eliminate the overhead of using public-key infrastructure (PKI) in wireless communications. Our work proposed a certificateless signature scheme achieving the same security level of non-repudiation as that in the PKI-based signature scheme, that most of the proposed certificateless signatures cannot fulfill. Group signatures practice the privacy of the participants of the authentication protocol by originating the group signatures belonging to their group. However, directly applying group signatures in wireless communications results in inefficiency of computation when a group has a large amount of members. Therefore, we aim at reducing the computation costs of membership revocation on the proposed group signature scheme to constant without being influenced by the amount of members and then apply the scheme to VANETs and UMTS. Eventually, all the proposed schemes in the thesis are theoretically proven secure under the standard reduction.

Le chiffrement à base de réseaux euclidiens a connu un grand essor durant les vingt dernières années. Autant grâce à l’apparition de nouvelles primitives telles que le chiffrement complètement homomorphe, que grâce à l’amélioration des primitives existantes, comme le chiffrement á clef publique ou les signatures digitales, qui commencent désormais à rivaliser avec leurs homologues fondés sur la théorie des nombres. Cela dit les preuves à divulgation nulle de connaissance, bien qu’elles représentent un des piliers des protocols de confidentialité, n’ont pas autant progressé, que ce soit au niveau de leur expressivité que de leur efficacité. Cette thèse s’attelle dans un premier temps à améliorer l’état de l’art en matière de preuves à divulgation nulle de connaissance. Nous construisons une preuve d’appartenance à un sous ensemble dont la taille est indépendante de l’ensemble en question. Nous construisons de même une preuve de connaissance amortie qui est plus efficace et plus simple que toutes les constructions qui la précèdent. Notre second propos est d’utiliser ces preuves à divulgation nulle de connaissance pour construire de nouvelles primitives cryptographiques. Nous concevons une signature de groupe dont la taille est indépendante du groupe en question, ainsi qu’un schéma de vote électronique hautement efficace, y compris pour des élections à grand échelle. / Lattice based cryptography has developed greatly in the last two decades, both with new and stimulating results such as fully-homomorphic encryption, and with great progress in the efficiency of existing cryptographic primitives like encryption and signatures which are becoming competitive with their number theoretic counterparts. On the other hand, even though they are a crucial part of many privacy-based protocols, zero-knowledge proofs of knowledge are still lagging behind in expressiveness and efficiency. The first goal of this thesis is to improve the quality of lattice-based proofs of knowledge. We construct new zero-knowledge proofs of knowledge such as a subset membership proof with size independent of the subset. We also work towards making zero-knowledge proofs more practical, by introducing a new amortized proof of knowledge that subsumes all previous results. Our second objective will be to use the proofs of knowledge we designed to construct novel and efficient cryptographic primitives. We build a group signature whose size does not depend on the size of the group, as well as a practical and highly scalable lattice-based e-voting scheme.

La cryptographie reposant sur les réseaux Euclidiens est une branche récente de la cryptographie dans laquelle la sécurité des primitives repose sur la difficulté présumée de certains problèmes bien connus dans les réseaux Euclidiens. Le principe de ces preuves est de montrer que réussir une attaque contre une primitive est au moins aussi difficile que de résoudre un problème particulier, comme le problème Learning With Errors (LWE) ou le problème Small Integer Solution (SIS). En montrant que ces problèmes sont au moins aussi difficiles à résoudre qu'un problème difficile portant sur les réseaux, présumé insoluble en temps polynomial, on en conclu que les primitives construites sont sûres. Nous avons travaillé sur l'amélioration de la sécurité et des constructions de primitives cryptographiques. Nous avons étudié la difficulté des problèmes SIS et LWE et de leurs variantes structurées sur les anneaux d'entiers de corps cyclotomiques, et les modules libres sur ceux-ci. Nous avons montré d'une part qu'il existe une preuve de difficulté classique pour le problème LWE (la réduction existante de Regev en 2005 était quantique), d'autre part que les variantes sur les modules sont elles-aussi difficiles. Nous avons aussi proposé deux nouvelles variantes de signatures de groupe dont la sécurité repose sur SIS et LWE. L'une est la première reposant sur les réseaux et ayant une taille et une complexité poly-logarithmique en le nombre d'utilisateurs. La seconde construction permet de plus la révocation d'un membre du groupe. Enfin, nous avons amélioré la taille de certains paramètres dans le travail sur les applications multilinéaires cryptographiques de Garg, Gentry et Halevi. / Lattice-based cryptography is a branch of cryptography exploiting the presumed hardness of some well-known problems on lattices. Its main advantages are its simplicity, efficiency, and apparent security against quantum computers. The principle of the security proofs in lattice-based cryptography is to show that attacking a given scheme is at least as hard as solving a particular problem, as the Learning with Errors problem (LWE) or the Small Integer Solution problem (SIS). Then, by showing that those two problems are at least as hard to solve than a hard problem on lattices, presumed polynomial time intractable, we conclude that the constructed scheme is secure.In this thesis, we improve the foundation of the security proofs and build new cryptographic schemes. We study the hardness of the SIS and LWE problems, and of some of their variants on integer rings of cyclotomic fields and on modules on those rings. We show that there is a classical hardness proof for the LWE problem (Regev's prior reduction was quantum), and that the module variants of SIS and LWE are also hard to solve. We also give two new lattice-based group signature schemes, with security based on SIS and LWE. One is the first lattice-based group signature with logarithmic signature size in the number of users. And the other construction allows another functionality, verifier-local revocation. Finally, we improve the size of some parameters in the work on cryptographic multilinear maps of Garg, Gentry and Halevi in 2013.

Disertační práce se zabývá kryptografickými protokoly poskytující ochranu soukromí, které jsou určeny pro zabezpečení komunikačních a informačních systémů tvořících heterogenní sítě. Práce se zaměřuje především na možnosti využití nekonvenčních kryptografických prostředků, které poskytují rozšířené bezpečnostní požadavky, jako je například ochrana soukromí uživatelů komunikačního systému. V práci je stanovena výpočetní náročnost kryptografických a matematických primitiv na různých zařízeních, které se podílí na zabezpečení heterogenní sítě. Hlavní cíle práce se zaměřují na návrh pokročilých kryptografických protokolů poskytujících ochranu soukromí. V práci jsou navrženy celkově tři protokoly, které využívají skupinových podpisů založených na bilineárním párování pro zajištění ochrany soukromí uživatelů. Tyto navržené protokoly zajišťují ochranu soukromí a nepopiratelnost po celou dobu datové komunikace spolu s autentizací a integritou přenášených zpráv. Pro navýšení výkonnosti navržených protokolů je využito optimalizačních technik, např. dávkového ověřování, tak aby protokoly byly praktické i pro heterogenní sítě.

Dizertační práce se zabývá kryptografickými schématy zvyšující ochranu soukromí uživatelů v systémech řízení přístupu a sběru dat. V současnosti jsou systémy fyzického řízení přístupu na bázi čipových karet využívány téměř dennodenně většinou z nás, například v zaměstnání, ve veřejné dopravě a v hotelech. Tyto systémy však stále neposkytují dostatečnou kryptografickou ochranu a tedy bezpečnost. Uživatelské identifikátory a klíče lze snadno odposlechnout a padělat. Funkce, které by zajišťovaly ochranu soukromí uživatele, téměř vždy chybí. Proto je zde reálné riziko možného sledovaní lidí, jejich pohybu a chovaní. Poskytovatelé služeb nebo případní útočníci, kteří odposlouchávají komunikaci, mohou vytvářet profily uživatelů, ví, co dělají, kde se pohybují a o co se zajímají. Za účelem zlepšení tohoto stavu jsme navrhli čtyři nová kryptografická schémata založená na efektivních důkazech s nulovou znalostí a kryptografii eliptických křivek. Konkrétně dizertační práce prezentuje tři nová autentizační schémata pro využití v systémech řízení přístupu a jedno nové schéma pro využití v systémech sběru dat. První schéma využívá distribuovaný autentizační přístup vyžadující spolupráci více RFID prvků v autentizačním procesu. Tato vlastnost je výhodná zvláště v případech řízení přístupu do nebezpečných prostor, kdy pro povolení přístupu uživatele je nezbytné, aby byl uživatel vybaven ochrannými pomůckami (se zabudovanými RFID prvky). Další dvě schémata jsou založena na atributovém způsobu ověření, tj. schémata umožňují anonymně prokázat vlastnictví atributů uživatele, jako je věk, občanství a pohlaví. Zatím co jedno schéma implementuje efektivní revokační a identifikační mechanismy, druhé schéma poskytuje nejrychlejší verifikaci držení uživatelských atributů ze všech současných řešení. Poslední, čtvrté schéma reprezentuje schéma krátkého skupinového podpisu pro scénář sběru dat. Schémata sběru dat se používají pro bezpečný a spolehlivý přenos dat ze vzdálených uzlů do řídící jednotky. S rostoucím významem chytrých měřičů v energetice, inteligentních zařízení v domácnostech a rozličných senzorových sítí, se potřeba bezpečných systémů sběru dat stává velmi naléhavou. Tato schémata musí podporovat nejen standardní bezpečnostní funkce, jako je důvěrnost a autentičnost přenášených dat, ale také funkce nové, jako je silná ochrana soukromí a identity uživatele či identifikace škodlivých uživatelů. Navržená schémata jsou prokazatelně bezpečná a nabízí celou řadu funkcí rozšiřující ochranu soukromí a identity uživatele, jmenovitě se pak jedná o zajištění anonymity, nesledovatelnosti a nespojitelnosti jednotlivých relací uživatele. Kromě úplné kryptografické specifikace a bezpečnostní analýzy navržených schémat, obsahuje tato práce také výsledky měření implementací jednotlivých schémat na v současnosti nejpoužívanějších zařízeních v oblasti řízení přístupu a sběru dat.

No description available.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / A wireless sensor network consists of lightweight nodes with a limited power source. They can be used in a variety of environments, especially in environments for which it is impossible to utilize a wired network. They are easy/fast to deploy. Nodes collect data and send it to a processing center (base station) to be analyzed, in order to detect an event and/or determine information/characteristics of the environment. The challenges for securing a sensor network are numerous. Nodes in this network have a limited amount of power, therefore they could be faulty because of a lack of battery power and broadcast faulty information to the network. Moreover, nodes in this network could be prone to different attacks from an adversary who tries to eavesdrop, modify or repeat the data which is collected by other nodes. Nodes may be mobile. There is no possibility of having a fixed infrastructure. Because of the importance of extracting information from the data collected by the sensors in the network there needs to be some level of security to provide trustworthy information. The goal of this thesis is to organize part of the network in an energy efficient manner in order to produce a suitable amount of integrity/security. By making nodes monitor each other in small organized clusters we increase security with a minimal energy cost. To increase the security of the network we use cryptographic techniques such as: public/ private key, manufacturer signature, cluster signature, etc. In addition, nodes monitor each other's activity in the network, we call it a "neighborhood watch" In this case, if a node does not forward data, or modifies it, and other nodes which are in their transmission range can send a claim against that node.