Original title: Kryptografie založená na mřížkách na omezených zařízeních
Translated title: Lattice-Based Cryptography on Constrained Devises
Authors: Shapoval, Vladyslav ; Dzurenda, Petr (referee) ; Ricci, Sara (advisor)
Document type: Master’s theses
Year: 2024
Language: eng
Publisher: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Abstract: [eng] [cze]
Tato diplomová práce prezentuje modifikovanou softwarovou implementaci podpisového schématu založeného na modulové mřížce Dilithium a jeho distribuované varianty DS2 pro mikrokontrolér ARM Cortex-M4. Dilithium je součástí sady CRYSTALS a byl vybrán NIST jako nový postkvantový podpisový standard. Tato práce se zaměřuje na snížení paměťové náročnosti obou algoritmů, aby byly více aplikovatelné na širší spektrum mikrokontrolérů a omezených zařízení. Oba podpisy byly optimalizovány pro běh na mikrokontroléru STM32 Cortex-M4. Na jedné straně Dilithium podpis prezentoval již optimalizovanou implementaci, která může běžet na mikrokontroléru. Proto jsme se zaměřili na přidání hardwarové akcelerace pro AES pro generování pseudonáhodných čísel během generování podpisu. Na druhé straně je podpis DS2 více paměťově náročný a navrhli jsme dva optimalizační přístupy přizpůsobené mikrokontroléru. Tyto optimalizace mají za cíl snížit spotřebu paměti při zachování bezpečnostní síly. Experimentální výsledky a bezpečnostní analýza demonstrují účinnost a praktičnost našich řešení. V důsledku naší práce jsme úspěšně vyvinuli nové verze jak Dilithium, tak DS2 s paměťovou spotřebou sníženou o více než 50\% a 90\%, respektive, ve srovnání s originálem. This master’s thesis presents a modified software implementation of the module-lattice-based signature scheme Dilithium and its distributed variant DS2 for the ARM Cortex-M4 microcontroller. Dilithium is a part of the CRYSTALS suite and was selected by the NIST as a new post-quantum signature standard. This work is focused on reducing the memory footprint of both algorithms in order to make them more applicable to a wider spectrum of microcontrollers and constrained devices. Both signatures were optimized to run on the STM32 Cortex-M4 microcontroller. On one hand, Dilithium signature presented an already optimized implementation that can run on a microcontroller. Therefore, we focused on adding hardware acceleration support for AES for the generation of pseudo-random numbers during the generation of the signature. On the other hand, DS2 signature is more memory demanding and we proposed two microcontroller-tailored optimization approaches. These optimizations aim to reduce memory consumption while maintaining security strength. Experimental results and security analysis demonstrate the efficacy and practicality of our solutions. As a result of our work, we successfully developed new versions of both Dilithium and DS2 with memory consumption reduced by more than 50\% and 90\%, respectively, compared to the original.
Keywords: Dilithium; kvantově odolné; LWE; mikrokontroléry; optimalizace RAM; Postkvantová kryptografie; prahový podpis; Dilithium; LWE; microcontrollers; Post-quantum cryptography; quantum-resistant; RAM-optimization; threshold signature

Institution: Brno University of Technology (web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library.
Original record: https://hdl.handle.net/11012/246058

Permalink: http://www.nusl.cz/ntk/nusl-616228


The record appears in these collections:
Universities and colleges > Public universities > Brno University of Technology
Academic theses (ETDs) > Master’s theses