Analysis and Design of Blockcipher Based Cryptographic Algorithms

Fleischmann, Ewan

This thesis focuses on the analysis and design of hash functions and authenticated encryption schemes that are blockcipher based. We give an introduction into these fields of research – taking in a blockcipher based point of view – with special emphasis on the topics of double length, double call blockcipher based compression functions. The first main topic (thesis parts I - III) is on analysis and design of hash functions. We start with a collision security analysis of some well known double length blockcipher based compression functions and hash functions: Abreast-DM, Tandem-DM and MDC-4. We also propose new double length compression functions that have elevated collision security guarantees. We complement the collision analysis with a preimage analysis by stating (near) optimal security results for Abreast-DM, Tandem-DM, and Hirose-DM. Also, some generalizations are discussed. These are the first preimage security results for blockcipher based double length hash functions that go beyond the birthday barrier. We then raise the abstraction level and analyze the notion of ’hash function indifferentiability from a random oracle’. So we not anymore focus on how to obtain a good compression function but, instead, on how to obtain a good hash function using (other) cryptographic primitives. In particular we give some examples when this strong notion of hash function security might give questionable advice for building a practical hash function. In the second main topic (thesis part IV), which is on authenticated encryption schemes, we present an on-line authenticated encryption scheme, McOEx, that simultaneously achieves privacy and confidentiality and is secure against nonce-misuse. It is the first dedicated scheme that achieves high standards of security and – at the same time – is on-line computable.

Die Schwerpunkte dieser Dissertation sind die Analyse und das Design von blockchiffrenbasierten Hashfunktionen (Abschnitte I-III) sowie die Entwicklung von robusten Verfahren zur authentifizierten erschlüsselung (Abschnitt IV). Die Arbeit beginnt mit einer Einführung in diese Themengebiete, wobei – insbesondere bei den Hashfunktionen – eine blockchiffrenzentrierte Perspektive eingenommen wird. Die Abschnitte I-III dieser Dissertation beschäftigen sich mit der Analyse und dem Design von Hashfunktionen. Zu Beginn werden die Kollisionssicherheit einiger wohlbekannter Kompressions- und Hashfunktionen mit zweifacher Blockchiffrenausgabelänge näher analysiert: Abreast-DM, Tandem-DMundMDC-4. Ebenso werden neue Designs vorgestellt, welche erhöhte Kollisionssicherheitsgarantien haben. Ergänzend zur Kollisionssicherheitsanalyse wird die Resistenz gegen Urbildangriffe von Kompressionsfunktionen doppelter Ausgabelänge untersucht. Dabei werden nahezu optimale Sicherheitsschranken für Abreast-DM, Tandem-DM und Hirose-DM abgeleitet. Einige Verallgemeinerungen sind ebenfalls Teil der Diskussion. Das sind die ersten Sicherheitsresultate gegen Urbildangriffe auf blockchiffrenbasierte Kompressionsfunktionen doppelter Länge, die weit über die bis dahin bekannten Sicherheitsresultate hinausgehen. Daran anschließend folgt eine Betrachtung, die auf einem erhöhten Abstraktionslevel durchgeführt wird und den Begriff der Undifferenzierbarkeit einer Hashfunktion von einem Zufallsorakel diskutiert. Hierbei liegt der Fokus nicht darauf, wie man eine gute Kompressionfunktion auf Basis anderer kryptographischer Funktionen erstellt, sondern auf dem Design einer Hashfunktionen auf Basis einer Kompressionsfunktion. Unter Einnahme eines eher praktischen Standpunktes wird anhand einiger Beispiele aufgezeigt, dass die relativ starke Eigenschaft der Undifferenzierbarkeit einer Hashfunktion zu widersprüchlichen Designempfehlungen für praktikable Hashfunktionen führen kann. Im zweiten Schwerpunkt, in Abschnitt IV, werden Verfahren zur authentifizierten Verschlüsselung behandelt. Es wird ein neues Schema zur authentifizierten Verschlüsselung vorgestellt,McOEx. Es schützt gleichzeitig die Integrität und die Vertrauchlichkeit einer Nachricht. McOEx ist das erste konkrete Schema das sowohl robust gegen die Wiederverwendung von Nonces ist und gleichzeitig on-line berechnet werden kann.

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Fleischmann, Ewan: Analysis and Design of Blockcipher Based Cryptographic Algorithms. 2013.

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