Differential cryptanalysis on lblock using differential factors

Abstract

Uzun bir tarihe sahip olan kriptografi, hergün dahada gelişerek günümüze kadar gelmiştir. Günümüzde ise hem endüstriyel uygulamaları hem de akademik çalışmaları kapsayan büyük bir alana yayılmıştır. Bizler kullandığımızı farketmesek bile kriptografik araçlar günlük hayatımızda önemli bir yere sahiptir. Bilgilerin saklanmasında basit bir internet sitesinden akıllı cihazların kullanımına kadar birçok alanda kriptografik algoritmalar kullanılmaktadır. Blok şifreleri ve akan şifreleri kapsayan simetrik anahtar algoritmaları, kriptografik algoritmanın sınıflarından biridir. Blok şifrelerin güvenli olup olmadığını değerlendirebilmek için birçok çeşitli kriptanalik metod kullanılır. Bu metodların en önemlilerinden biride diferansiyel kriptanalizdir. Bu atağın blok şifrelere sıklıkla uygulanmasından dolayı, şifrelerin tasarım sürecinde bu atağa karşı güçlü olmasını sağlayacak özellikler seçilmeye çalışılır. Diferansiyel kriptanalizde saldırgan seçilmiş şifresiz metine ufak bir değişiklik yapıldığında şifreli metin üzerindeki değişikliği inceler. Şifresiz ve şifreli metin arasındaki bağlantıyı bulduktan sonrada turlarda kullanan anahtarların bitlerini ele geçirmeye çalışır. Eğer algoritmanın S-kutusu yeni bulunan bir S-kutu özelliği olan Diferansiyel Faktör özelliğine sahip ise ve bu S-kutu diferansiyel atakta çalıştırılıyorsa, saldırgan ele geçirmeyi hedeflediği bütün bitleri ele geçiremeyebilir. Teknolojinin gelişmesiyle birlikte gömülü sistemlerinde kullanımı ve bu sistemlerde kullanılacak yeni kritografik araçlara olan ihtiyaç artmaya başladı. Bu yüzden kriptografinin alt dalları değişmeye ve çeşitlenmeye başladı. Bu çeşitlenmenin sonuçlarından biride hafif sıklet kriptografidir. Hafif sıklet kriptografinin amacı güvenlik, maliyet ve performans arasında en iyi şekilde bir denge kurmaktır. Radyo Frekanslı Tanımla etiketleri ve sensörler gibi özkaynağı kısıtlı cihazların kullanımının artmasıyla, hafif sıklet kriptografik modüllere olan ihtiyaçta artmaya başladı. Bu yüzden hafif sıklet kriptografi son yılların en önemli konu başlıklarından biri oldu. Hafif sıklet blok şifre ihtiyacını gidermek üzere tasarlanan blok şifrelere örnek olarak PRESENT, SEA, LED blok şifrelerini verebiliriz. Bu çalışmada, birkaç hafif sıklet blok şifre, onların kriptanalizleri ve bu kriptanalizlerin diferansiyel faktör kullanılarak düzeltilmiş halleri kısaca anlatıldı.Hafif sıklet blok şifrelerden biri olan LBLOCK, 2011'de düzenlenen Uygulamalı Kriptografi ve İnternet Güvenliği konferansında Wenling Wu and Lei Zhang tarafından önerilen 32-turluk bir yapıya sahip olan blok şifredir.Bu çalışmada hafif sıklet blok şifrelerden biri olan LBLOCK üzerinde çalıştık. Bu şifreye yapılan diferansiyel kriptanalizi saldırganlar diferansiyel faktörleri gözardı ederek gerçekleştirmiştir ve atağın zaman karmaşıklığıda buna göre hesaplanmıştır. Biz bu atağı diferansiyel faktörleri dikkate alarak inceledik ve atağın zaman karmaşıklığında bir düzeltme yaptık.

Cryptography had actually a long history and comes to today by evolving day by day. Now, it is a huge area in terms of the applications in industry and research topics in academia. Even if we do not realize, the cryptographic tools are placed in every single day of our life. To protect the information, the cryptographic algorithm is used in several areas from the basic website to smart devices. One of the classes of cryptographic algorithm is symmetric-key algorithms which cover block ciphers and stream ciphers. To evaluate the security of block ciphers, several cryptanalytic methods are used as a tool in cryptography. One of the most important methods is differential cryptanalysis. Since it is commonly used, cipher designers specify the cipher principles to be secure against differential attack. In differential cryptanalysis, attacker observes that the difference between chosen plaintexts how affects the difference between corresponding ciphertexts. After finding a relation between plaintext and ciphertext, an attacker tries to get round keys. With the recently introduced S-box property called Differential Factors, all of the attacked key bits may not be determined if the S-box has a differential factor property and that S-box is activated in the distinguisher.With advances in technology, the usage of embedded systems has increased and the needs for new cryptographic instruments has emerged. Therefore, the subclasses of cryptography become diversified. One of the diversification is lightweight cryptography. Lightweight cryptography is based on optimizing the trade-off between security, cost, and performance. With increasing use of low resource devices such as RFID tags and sensor networking in different areas, the needs for lightweight cryptographic modules have started to increase. For this reason, lightweight cryptography has become prominent for the last few years. To fulfill the need, several lightweight block ciphers have been designed such as PRESENT, SEA, LED. In this work, we briefly present some lightweight block ciphers, their cryptanalysis and corrected cryptanalysis via differential factors.LBLOCK, as one of these lightweight block ciphers, is a 32-round block cipher proposed at Applied Cryptography and Network Security Conference 2011 by Wenling Wu and Lei Zhang.In this thesis, we study on the lightweight block cipher LBLOCK and observe the differential cryptanalysis to LBLOCK. Since the attackers do not consider the differential factors while performing the attack, the time complexity needs a correction. We correct the time complexity of the attack.