The design priciples of linear feedback shift regizter based clock controlled stream ciphers

Abstract

DOĞRUSAL GER BESLEMEL KAYAN SAKLAÇ TABANLI SAATKONTROLLÜ D Z T P Ş FRELER N TASARIM LKELERmran ErgülerElektrik-Elektronik Mühendisliği, Yüksek Lisans Tezi, 2005Tez Danışmanı: Prof. Dr. Emin AnarımAnahtar kelimeler: Kriptografi, dizi tipi şifreleme, saat-kontrollü kayan saklaçlar,kriptosistem, ağ güvenliğiDizi tip şifreleme algoritmaları güvenli sayısal haberleşme uygulamalarında kullanılanen yaygın şifreleme metotlarındandır. Bu tip şifreleme algoritmaların çoğunluğu basitliğinden,donanımdaki hızından ve iyi istatistiksel özelliklere sahip olduğundan Doğrusal GeriBeslemeli Kayan Saklaçları (LFSRs) tasarımlarında kullanmaktadır. Yüksek periyotlu,yüksek doğrusal karmaşıklığa ve belirli rasgelelik özelliklerine sahip olmayan çıktı dizileriüreten dizi tip şifreleme algoritmaları güvenlik uygulamalarına uygun değildir. Bununlabirlikte, bir dizi tip şifreleme algoritması bilinen saldırılara karşı örneğin; zaman-belleködünleşimi saldırıları, böl-fethet saldırıları ve ilinti saldırıları, yüksek direnç göstermelidir.Saat kontrollü kayan saklaçları bu tip şifreleme algoritmalarında kullanmak istenen özelliklerigerçekleştirmesi açısından iyi bir alternatiftir.Bu tezde, kriptografik olarak güvenli LFSR tabanlı saat kontrollü dizi tip şifrelerintasarım ilkeleri anlatılmakta ve isimleri ANER-H ve CSDS olan iki tane yeni dizi tipşifreleme algoritması önerilmektedir. Ayrıca bu algoritmaların ürettikleri çıktı dizilerininözellikleri ve algoritmaların bilinen bazı saldırılara karşı dirençleri çalışmada verilmektedir.Matematiksel açılımlar ve simülasyon sonuçları ışığında iki algoritmanın da istenen minimumçıktı özellikleri gereksinimleri yerine getirdiği ve bilinen bazı saldırılara karşı yüksek direncesahip olduğu gösterilmektedir. Yüksek güvenlik sağlamalarının yanı sıra, CSDS özellikleyazılımda çok hızlı olacak şekilde tasarlanmıştır. Diğer yandan ANER-H basit elemantasarımlarından dolayı hem donanım hem de yazılım ortamlarındaki uygulamalara imkanvermektedir.

THE DESIGN PRINCIPLES OF LINEAR FEEDBACK SHIFTREGISTER BASED CLOCK CONTROLLED STREAM CIPHERSmran ErgülerElectrical and Electronics Engineering, M.S. Thesis, 2005Thesis Supervisor: Prof. Dr. Emin AnarımKeywords: Cryptography, stream ciphers, clock-controlled shift registers, cryptosystem,network securityStream ciphers are one of the most important classes of encryption algorithms used toensure security in digital communication. The design of many stream ciphers is based on useof Linear Feedback Shift Registers (LFSRs), due to their simplicity, speed of implementationin hardware and providing sequences with good statistical properties. A stream cipher can notbe considered suitable for cryptographic applications unless its output sequences have largeperiods, large linear complexities and possess certain randomness properties. Moreover astream cipher must provide high resistance against well known cryptanalytic attacks such astime-memory trade-off attacks, divide-conquer attacks and correlation attacks. The use ofclock-controlled shift registers in key stream generators can be a good alternative forachieving these properties.In this thesis, the design principles of a cryptographically secure LFSR based clockcontrolled stream ciphers are described and two new stream cipher algorithms ANER-H andCSDS are presented. In addition, key stream properties of these algorithms and theirresistance with respect to some well known cryptographic attacks are investigated. From themathematical expressions and simulation results, it is shown that the two algorithms producekey stream sequences with satisfying basic security requirements and provide high resistanceagainst currently known styles of attacks. Within their security powers, the CSDS is alsodesigned to be very fast, especially for software usage. On the other hand, the stream cipherANER-H can be applicable for both in hardware and software, due to its conceptually simpledesign.