[論文レビュー] A Parallel Encryption Algorithm for Block Ciphers Based on Reversible Programmable Cellular Automata

Debasis Das, Abhishek Ray|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2010

Cellular Automata and Applications参考文献 31被引用数 26

ひとこと要約

本論文は、可逆プログラマブルセルオートマトン（RPCA）に基づく新しい並列ブロック暗号化アルゴリズムを提案する。この手法は、セルオートマトンが持つ固有の並列性と決定論的ダイナミクスを活用し、効率的な対称鍵暗号化を実現する。局所的で可逆的な更新ルールを通じて強力な拡산と混同を達成し、高度に並列処理可能な環境下で、従来のブロック暗号よりも優れた性能とセキュリティ特性を示す。

ABSTRACT

A Cellular Automata (CA) is a computing model of complex System using simple rule. In CA the problem space into number of cell and each cell can be one or several final state. Cells are affected by neighbours' to the simple rule. Cellular Automata are highly parallel and discrete dynamical systems, whose behaviour is completely specified in terms of a local relation. This paper deals with the Cellular Automata (CA) in cryptography for a class of Block Ciphers through a new block encryption algorithm based on Reversible Programmable Cellular Automata Theory. The proposed algorithm belongs to the class of symmetric key systems.

研究の動機と目的

• 並列アーキテクチャに適した高性能ブロック暗号の設計を目的とする。
• 可逆プログラマブルセルオートマトンの特性を活用し、暗号セキュリティを強化することを目的とする。
• 局所的で決定論的な更新ルールを用いて、強力な拡산と混同を達成することを目的とする。
• 対称鍵暗号システムにおける暗号化速度とスケーラビリティを向上させることを目的とする。
• 現代のブロック暗号設計へのセルオートマトンの統合を形式的フレームワークで提供することを目的とする。

提案手法

• アルゴリズムは、各セルがその近隣とプログラマブルルールに基づいて更新される、可逆プログラマブルセルオートマトン（RPCA）をコア暗号プリミティブとして採用する。
• システムは、有限な一次元配列のセルから構成され、各セルは有限集合からの状態を保持し、状態遷移は局所的で可逆なルール関数に従う。
• 暗号化は、平文ブロックと鍵情報から導かれる初期状態を用いて、RPCAの複数回の同期的反復処理によって実行される。
• 鍵スケジューリングにより、RPCAのプログラマブルルールを構成する制御パラメータが生成され、鍵依存の動作を保証する。
• オートマトンの可逆性により、逆ルールのシーケンスを用いて復号が可能となり、対称鍵性が維持される。
• アルゴリズムは本質的に並列的であり、各タイムステップで全セルを同時に更新可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 可逆プログラマブルセルオートマトンは、安全かつ効率的なブロック暗号を構築するために効果的に利用可能か？
• RQ2 セルオートマトンの並列性は、対称鍵暗号におけるパフォーマンスをどのように向上させるか？
• RQ3 RPCAの局所的で決定論的なルールは、暗号セキュリティに十分な混同と拡散を提供できるか？
• RQ4 オートマトンの可逆性は、対称鍵環境下で信頼性高くかつ効率的に復号を可能にするか？
• RQ5 提案手法は、既存のブロック暗号設計と比較して、セキュリティおよびパフォーマンス面で優れているか？

主な発見

• 提案手法は完全な並列性を達成しており、ハードウェアおよびマルチコア実装に適した高速暗号化を実現する。
• 可逆プログラマブルセルオートマトンの使用により、暗号化プロセスが可逆となり、データ損失なしに正しい復号が可能になる。
• プログラマブルルールによって制御される、複雑で非線形なセル間相互作用のおかげで、強力な拡산と混同特性が実現される。
• 暗号のセキュリティは、RPCAルールの鍵設定に依存しており、鍵の知識がなければ cryptanalysis が困難である。
• この手法はセルオートマトン理論に形式的に根ざしており、ブロック暗号設計に数学的に整合性のある基盤を提供する。
• 対称鍵性と効率的な計算モデルのおかげで、既存の暗号システムへの統合が可能であることが示された。