Algorithmes de réseaux et cryptographie basée sur les réseaux

Lattice algorithms and lattice-based cryptography

• Auteur / Autrice : Natalia Kharchenko
• Direction : Antoine Joux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 27/05/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LIP6 (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Annick Valibouze
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Claude Bajard, Louis Goubin, Brigitte Vallée
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre-Alain Fouque, David Naccache

Mots clés

Mots clés contrôlés

Algorithmes

Systèmes informatiques -- Mesures de sûreté

Cryptographie post-quantique

Mots clés libres

Cryptographie post-quantique

Cryptanalyse

Réseaux euclidiens

Cryptographie basée sur les réseaux

Algorithmes de sieving

Apprentissage avec erreurs

Post-quantum cryptography

Cryptanalysis

Euclidean networks

Lattice-based cryptography

Sieving algorithms

Learning with errors

Résumé

La cryptographie basée sur les réseaux est un domaine de recherche qui étudie la construction d'outils pour une communication sécurisée basée sur des problèmes de réseaux difficiles. La cryptographie basée sur les réseau est l'un des candidats les plus prometteurs pour la communication sécurisée post-quantique. Cette thèse étudie les algorithmes pour résoudre les problèmes de réseaux difficiles et leur application à l'évaluation de la sécurité des constructions cryptographiques. Dans la première partie, nous introduisons une nouvelle famille d'algorithmes de sieving appelé sieving cylindrique. Le sieving heuristique est actuellement l'approche la plus rapide pour résoudre les problèmes de réseau central, SVP et CVP. Nous montrons que le sieving cylindrique peut surpasser les algorithmes de sieving existants dans certains cas, à savoir qu'il est plus efficace pour résoudre SVP pour des réseaux avec un volume premier petit et pour résoudre le problème de vecteur le plus proche avec prétraitement (CVPP). Dans la deuxième partie de la thèse, nous améliorons l'attaque duale utilisée à l'origine pour estimer la sécurité du Fast Fully Homomorphic Encryption scheme over Torus (TFHE). Nous hybridons l'attaque duale avec la recherche de la partie de la clé secrète. Comme TFHE utilise des clés binaires, la partie recherche de l'attaque peut être effectuée efficacement en exploitant la structure récursive de l'espace de recherche. Nous comparons notre attaque avec d'autres techniques existantes pour résoudre LWE et montrons que le niveau de sécurité du schéma TFHE devrait être mis à jour par rapport à la nouvelle attaque.

Lattice-based cryptography is a field of research that studies the construction of tools for secure communication based on hard lattice problems. Lattice-based cryptography is one of the most promising candidates for secure post-quantum communication. This thesis studies algorithms for solving hard lattice problems and their application to the evaluation of the security of cryptosystems. In the first part, we introduce a new family of lattice sieving algorithms called cylindrical sieving. Heuristic sieving is currently the fastest approach to solve central lattice problems: SVP and CVP. We show that cylindrical sieving can outperform existing sieving algorithms in some cases, namely, that it is more efficient for solving SVP for lattices with small prime volume and for solving the closest vector problem with preprocessing (CVPP). In the second part of the thesis, we improve the dual attack originally used to estimate the security of the Fast Fully Homomorphic Encryption scheme over Torus (TFHE). We hybridize the dual attack with the search for the secret key part. As TFHE uses binary keys, the search part of the attack can be performed efficiently by exploiting the recursive structure of the search space. We compare our attack with other existing techniques for solving LWE and show that the security level of the TFHE scheme should be updated according to the new attack.