With the rise of the Internet of Things, the security of such lightweight computing environments has become a hot topic. Lightweight block ciphers that can provide efficient performance and security by having a relatively simpler structure and smaller key and block sizes are drawing attention. Due to these characteristics, they can become a target for new attack techniques. One of the new cryptanalytic attacks that have been attracting interest is Neural cryptanalysis, which is a cryptanalytic technique based on neural networks. It showed interesting results with better results than the conventional cryptanalysis method without a great amount of time and cryptographic knowledge. The first work that showed good results was carried out by Aron Gohr in CRYPTO'19, the attack was conducted on the lightweight block cipher SPECK-/32/64 and showed better results than conventional differential cryptanalysis. In this paper, we first apply the Differential Neural Distinguisher proposed by Aron Gohr to the block ciphers HIGHT and GOST to test the applicability of the attack to ciphers with different structures. The performance of the Differential Neural Distinguisher is then analyzed by replacing the neural network attack model with five different models (Multi-Layer Perceptron, AlexNet, ResNext, SE-ResNet, SE-ResNext). We then propose a Related-key Neural Distinguisher and apply it to the SPECK-/32/64, HIGHT, and GOST block ciphers. The proposed Related-key Neural Distinguisher was constructed using the relationship between keys, and this made it possible to distinguish more rounds than the differential distinguisher.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.11
no.8
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pp.4006-4024
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2017
Internet of Things (IoT) will transform our daily life by making different aspects of life smart like smart home, smart workplace, smart health and smart city etc. IoT is based on network of physical objects equipped with sensors and actuators that can gather and share data with other objects or humans. Secure communication is required for successful working of IoT. In this paper, a total of 13 lightweight cryptographic algorithms are evaluated based on their implementation results on 8-bit, 16-bit, and 32-bit microcontrollers and their appropriateness is examined for resource-constrained scenarios like IoT. These algorithms are analysed by dissecting them into their logical and structural elements. This paper tries to investigate the relationships between the structural elements of an algorithm and its performance. Association rule mining is used to find association patterns among the constituent elements of the selected ciphers and their performance. Interesting results are found on the type of element used to improve the cipher in terms of code size, RAM requirement and execution time. This paper will serve as a guideline for cryptographic designers to design improved ciphers for resource constrained environments like IoT.
Park, Taehwan;Seo, Hwajeong;Bae, Bongjin;Kim, Howon
Journal of information and communication convergence engineering
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v.14
no.3
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pp.177-183
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2016
A lot of Internet of Things devices has resource-restricted environment, so it is difficult to implement the existing block ciphers such as AES, PRESENT. By this reason, there are lightweight block ciphers, such as SIMON, SPECK, and Simeck, support various block/key sizes. These lightweight block ciphers can support the security on the IoT devices. In this paper, we propose efficient implementation methods and performance results for the Simeck family block cipher proposed in CHES 2015 on an 8-bit ATmega128-based STK600 board. The proposed methods can be adapted in the 8-bit microprocessor environment such as Arduino series which are one of famous devices for IoT application. The optimized on-the-fly (OTF) speed is on average 14.42 times faster and the optimized OTF memory is 1.53 times smaller than those obtained in the previous research. The speed-optimized encryption and the memory-optimized encryption are on average 12.98 times faster and 1.3 times smaller than those obtained in the previous studies, respectively.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.17
no.1
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pp.165-184
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2023
The ARX-based lightweight block cipher is widely used in resource-constrained IoT devices due to fast and simple operation of software and hardware platforms. However, there are three weaknesses to ARX-based lightweight block ciphers. Firstly, only half of the data can be changed in one round. Secondly, traditional ARX-based lightweight block ciphers are static structures, which provide limited security. Thirdly, it has poor diffusion when the initial plaintext and key are all 0 or all 1. This paper proposes a new dynamic ARX-based lightweight block cipher to overcome these weaknesses, called DABC. DABC can change all data in one round, which overcomes the first weakness. This paper combines the key and the generalized two-dimensional cat map to construct a dynamic permutation layer P1, which improves the uncertainty between different rounds of DABC. The non-linear component of the round function alternately uses NAND gate and AND gate to increase the complexity of the attack, which overcomes the third weakness. Meanwhile, this paper proposes the round-based architecture of DABC and conducted ASIC and FPGA implementation. The hardware results show that DABC has less hardware resource and high throughput. Finally, the safety evaluation results show that DABC has a good avalanche effect and security.
Gookyi, Dennis Agyemanh Nana;Kanda, Guard;Ryoo, Kwangki
Journal of Information Processing Systems
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v.17
no.2
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pp.253-270
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2021
In January 2013, the National Institute of Standards and Technology (NIST) announced the CAESAR (Competition for Authenticated Encryption: Security, Applicability, and Robustness) contest to identify authenticated ciphers that are suitable for a wide range of applications. A total of 57 submissions made it into the first round of the competition out of which 6 were announced as winners in March 2019. In the process of the competition, NIST realized that most of the authenticated ciphers submitted were not suitable for resource-constrained devices used as end nodes in the Internet-of-Things (IoT) platform. For that matter, the NIST Lightweight Cryptography Standardization Process was set up to identify authenticated encryption and hashing algorithms for IoT devices. The call for submissions was initiated in 2018 and in April 2019, 56 submissions made it into the first round of the competition. In August 2019, 32 out of the 56 submissions were selected for the second round which is due to end in the year 2021. This work surveys the 32 authenticated encryption schemes that made it into the second round of the NIST lightweight cryptography standardization process. The paper presents an easy-to-understand comparative overview of the recommended parameters, primitives, mode of operation, features, security parameter, and hardware/software performance of the 32 candidate algorithms. The paper goes further by discussing the challenges of the Lightweight Cryptography Standardization Process and provides some suitable recommendations.
Min-ho Song;Kyung-bae Jang;Gyeong-ju Song;Won-woong Kim;Hwa-Jeong Seo
Journal of the Korea Institute of Information Security & Cryptology
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v.33
no.3
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pp.383-389
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2023
The development of quantum computers and the emergence of quantum algorithms such as Shor's algorithm and Grover's algorithm pose a significant threat to the security of existing cipher systems. Quantum algorithms can efficiently perform mathematical operations that take a long time on traditional computers. This characteristic can significantly reduce the time it takes to break modern cipher systems that rely on mathematical problems. To prepare for quantum attacks based on these algorithms, existing ciphers must be implemented as quantum circuits. Many ciphers have already been implemented as quantum circuits, analyzing quantum resources required for attacks and verifying the quantum strength of the cipher. In this paper, we present quantum circuits for LED lightweight block ciphers and explain each function of quantum circuits. Thereafter, the resources for the LED quantum circuit are estimated and evaluated by comparing them with other lightweight block ciphers.
Lightweight ciphers are increasingly employed in cryptography because of the high demand for secure data transmission in wireless sensor network, embedded devices, and Internet of Things. The PRESENT algorithm as an ultralightweight block cipher provides better solution for secure hardware cryptography with low power consumption and minimum resource. This study generates the key using key rotation and substitution method, which contains key rotation, key switching, and binary-coded decimal-based key generation used in image encryption. The key rotation and substitution-based PRESENT architecture is proposed to increase security level for data stream and randomness in cipher through providing high resistance to attacks. Lookup table is used to design the key scheduling module, thus reducing the area of architecture. Field-programmable gate array (FPGA) performances are evaluated for the proposed and conventional methods. In Virtex 6 device, the proposed key rotation and substitution PRESENT architecture occupied 72 lookup tables, 65 flip flops, and 35 slices which are comparably less to the existing architecture.
Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers
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v.53
no.10
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pp.103-108
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2016
With the growing trend of pervasive computing, (the idea that technology is moving beyond personal computers to everyday devices) there is a growing demand for lightweight ciphers to safeguard data in a network that is always available. For all block cipher applications, the AES is the preferred choice. However, devices used in pervasive computing have extremely constraint environment and as such the AES will not be suitable. In this paper we design and implement a new lightweight compact block cipher that takes advantage of both S-P network and the Feistel structure. The cipher uses the S-box of PRESENT algorithm and a key dependent one stage omega permutation network is used as the cipher's P-box. The cipher is implemented on iNEXT-V6 board equipped with virtex-6 FPGA. The design synthesized to 196 slices at 337 MHz maximum clock frequency.
Journal of the Korea Society of Computer and Information
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v.23
no.10
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pp.111-117
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2018
CHAM is a lightweight block cipher, proposed in ICISC 2017. CHAM-n/k has the n-bit block and the k-bit key, and designers recommend CHAM-64/128, CHAM-128/128, and CHAM-128/256. In this paper, we study how to make optimal software implementation of CHAM such that it has high encryption speed on CPUs with high computing power. The best performances of our CHAM implementations are 1.6 cycles/byte for CHAM-64/128, 2.3 cycles/byte for CHAM-128/128, and 3.8 cycles/byte for CHAM-128/256. The comparison with existing software implementation results for well-known block ciphers shows that our results are competitive.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.12
no.7
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pp.3421-3437
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2018
With the enlargement of wireless technology, vehicular ad-hoc networks (VANETs) are rising as a hopeful way to realize smart cities and address a lot of vital transportation problems such as road security, convenience, and efficiency. To achieve data confidentiality, integrity and authentication applying lightweight cryptosystems is widely recognized as a rather efficient approach for the VANETs. The Khudra cipher is such a lightweight cryptosystem with a typical Generalized Feistel Network, and supports 80-bit secret key. Up to now, little research of fault analysis has been devoted to attacking Khudra. On the basis of the single nibble-oriented fault model, we propose a differential fault analysis on Khudra. The attack can recover its 80-bit secret key by introducing only 2 faults. The results in this study will provides vital references for the security evaluations of other lightweight ciphers in the VANETs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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