Notes on Lattice-Based Cryptography

Abstract

Asymmetrisk kryptering er avhengig av antakelsen om at noen beregningsproblemer er vanskelige å løse. I 1994 viste Peter Shor at de to mest brukte beregningsproblemene, nemlig det diskrete logaritmeproblemet og primtallsfaktorisering, ikke lenger er vanskelige å løse når man bruker en kvantedatamaskin. Siden den gang har forskere jobbet med å finne nye beregningsproblemer som er motstandsdyktige mot kvanteangrep for å erstatte disse to. Gitterbasert kryptografi er forskningsfeltet som bruker kryptografiske primitiver som involverer vanskelige problemer definert på gitter, for eksempel det korteste vektorproblemet og det nærmeste vektorproblemet. NTRU-kryptosystemet, publisert i 1998, var et av de første som ble introdusert på dette feltet. Problemet Learning With Error (LWE) ble introdusert i 2005 av Regev, og det regnes nå som et av de mest lovende beregningsproblemene som snart tas i bruk i stor skala. Å studere vanskelighetsgraden og å finne nye og raskere algoritmer som løser den, ble et ledende forskningstema innen kryptografi. Denne oppgaven inkluderer følgende bidrag til feltet: - En ikke-triviell reduksjon av Mersenne Low Hamming Combination Search Problem, det underliggende problemet med et NTRU-lignende kryptosystem, til Integer Linear Programming (ILP). Særlig finner vi en familie av svake nøkler. - En konkret sikkerhetsanalyse av Integer-RLWE, en vanskelig beregningsproblemvariant av LWE, introdusert av Gu Chunsheng. Vi formaliserer et meet-in-the-middle og et gitterbasert angrep for denne saken, og vi utnytter en svakhet ved parametervalget gitt av Gu, for å bygge et forbedret gitterbasert angrep. - En forbedring av Blum-Kalai-Wasserman-algoritmen for å løse LWE. Mer spesifikt, introduserer vi et nytt reduksjonstrinn og en ny gjetteprosedyre til algoritmen. Disse tillot oss å utvikle to implementeringer av algoritmen, som er i stand til å løse relativt store LWE-forekomster. Mens den første effektivt bare bruker RAM-minne og er fullt parallelliserbar, utnytter den andre en kombinasjon av RAM og disklagring for å overvinne minnebegrensningene gitt av RAM. - Vi fyller et tomrom i paringsbasert kryptografi. Dette ved å gi konkrete formler for å beregne hash-funksjon til G2, den andre gruppen i paringsdomenet, for Barreto-Lynn-Scott-familien av paringsvennlige elliptiske kurver