Υπολογιστική Κρυπτογραφία
Topic outline
- Χειμερινό Εξάμηνο 2022-2023Χειμερινό Εξάμηνο 2022-2023Διδάσκοντες: - Στάθης Ζάχος, Καθηγητής (zachos@cs.ntua.gr)
- Άρης Παγουρτζής, Καθηγητής (pagour@cs.ntua.gr)
- Πέτρος Ποτίκας, Ε.Δι.Π. (ppotik@cs.ntua.gr)
- Παναγιώτης Γροντάς, Μεταδιδάκτορας (pgrontas@mail.ntua.gr)
 Βοηθοί Διδασκαλίας: - Θωμάς Σουλιώτης, Υ.Δ.
- Pourandokht Behrouz, Υ.Δ.
- Μαριάννα Σπυράκου, Υ.Δ.
- Ελένη Μακρή
- Δανάη Μπάλλα
- Ορέστης Κωνσταντινίδης
 Διαλέξεις (έναρξη: 2/10) - Τρίτη 12:45-15:00, Αμφ. 4, Νέο Κτ. Ηλεκτρολόγων ΕΜΠ
- Παρασκευή 16:15-18:00, Αμφ. 4, Νέο Κτ. Ηλεκτρολόγων ΕΜΠ
 Βασική βιβλιογραφία: [ΖΠΓ]: Ε. Ζάχος, Α. Παγουρτζής, Π. Γροντάς: Υπολογιστική Κρυπτογραφία, Κάλλιπος, 2015. 
 [LK2]: Jonathan Katz and Yehuda Lindell: Introduction to Modern Cryptography (2nd edition).
 [BoSh]: D. Boneh and V. Shoup: A Graduate Course in Applied Cryptography (free draft, κατεβάστε την τελευταία έκδοση)
- Εβδομάδα 3/10-7/10Εβδομάδα 3/10-7/10ΤΡΙΤΗ 4/10 - Επισκόπηση αρχών και εφαρμογών της σύγχρονης κρυπτογραφίας.
- Κλασικά συστήματα (αντικατάστασης, Καίσαρα, Vigenere cipher) και κρυπτανάλυσή τους.
- Δείκτης σύμπτωσης (Coincidence Index).
 Slides: Introduction (1-40) & Classical Cryptosystems (1-19) Προτεινόμενη μελέτη: - [ΖΠΓ]: κεφ. 1 (1.1 & 1.2)
- [LK2]: κεφ. 1.2, 1.3
 Παρασκευή 7/10 - Επανάληψη κρυπτογράφησης και κρυπτανάλυσης Vigenere.
- Τέλεια μυστικότητα κατά Shannon. Ισοδύναμες συνθήκες. Random Shift cipher.
 Slides: Classical Cryptosystems (10-25) Προτεινόμενη μελέτη: - [ΖΠΓ]: κεφ. 1.4.3
- [LK2]: κεφ. 2
 
- Εβδομάδα 10/10-14/10Εβδομάδα 10/10-14/10ΤΡΙΤΗ 11/10 - Επανάληψη τέλειας μυστικότητας
- Κρυπτοσυστήματα ρεύματος, μετάθεσης και γινομένου.
- Ασύμμετρη κρυπτογραφία: κρυπτοσύστημα "σακιδίου" Merkle-Hellman, επίθεση Shamir.
 - Μοντέλα και ορισμοί ασφάλειας
- Τύποι επιθέσεων
- Παίγνια Μη Διακρισιμότητας
- Γενική μορφή κρυπτογραφικών αναγωγών
- Ανάλυση ασφάλειας ανταλλαγής κλειδιού Diffie-Hellman
 
 Slides: Formal Models (1-48)Προτεινόμενη μελέτη: [ΖΠΓ] 1.4, 6.2, 6.3 [LK2] 1.4 Προαιρετική Μελέτη: - W. Diffie and M. Hellman. New directions in cryptography. IEEE Trans. Inf. Theor., 22(6):644-654, September 1976.
- Russell Impagliazzo, A Personal View of Average-Case Complexity, (pdf).
- Neil Koblitz, Alfred Menezes, Another Look at “Provable Security”, (pdf).
- Ivan Damgard, A proof reading of some issues in cryptography, (pdf).
 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ 14/10 - Διαιρετότητα
- ΜΚΔ: Ιδιότητες - Αλγόριθμος Ευκλείδη
- Πρώτοι αριθμοί
- Συνάρτηση φ του Euler
- Αριθμητική modulo, ο δακτύλιος Z_m 
- Μικρό Θεώρημα Fermat
- Ύψωση σε δύναμη modulo m
 
 Slides: Number Theory (1-15)Προτεινόμενη μελέτη: [ΖΠΓ] 2.1, 4.1, 4.2, 4.3 
- Εβδομάδα 17/10-21/10Εβδομάδα 17/10-21/10ΤΡΙΤΗ 18/10 - Θεωρία ομάδων, τάξη στοιχείου και ομάδας, κυκλικές ομάδες, γεννήτορες.
- Σύμπλοκα, ομάδα πηλίκο, Θεώρημα Lagrange.
 - Έλεγχος πρώτων με θεώρημα του Fermat.
 
 Slides: Number Theory (16-24)Προτεινόμενη μελέτη: [ΖΠΓ] 2.2, 2.3, 4.5 [LK2] 8.1-8.3 (συμπληρωματικά) ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ 21/10 - Η δομή των ομάδων Z*p και U(Zpq).
- Κινέζικο Θεώρημα Υπολοίπων
- Τετραγωνικά Υπόλοιπα
 Προτεινόμενη μελέτη: [ΖΠΓ] 2.3, 2.4, [LK2] 8.1-8.3 (συμπληρωματικά) 
- Θεωρία ομάδων, τάξη στοιχείου και ομάδας, κυκλικές ομάδες, γεννήτορες.
- Εβδομάδα 24/10-28/10Εβδομάδα 24/10-28/10ΤΡΙΤΗ 25/10 - Tετραγωνικές ρίζες modulo n και παραγοντοποίηση
- Σύμβολο Legendre
- Σύμβολο Jacobi
- Έλεγχος πρώτων αριθμών Miller-Rabin
- Ευεπίλυτα και Δυσεπίλυτα αριθμητικά προβλήματα
 Προτεινόμενη μελέτη: [ΖΠΓ] 2.4, 4.5, 4.6, 4.7 [LK2] 8.2.2 (συμπληρωματικά)ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ 28/10 Επέτειος 28ης ΟΚΤΩΒΡΙΟΥ - Δεν έγινε μάθημα 
- Εβδομάδα 31/10 - 04/11Εβδομάδα 31/10 - 04/11ΤΡΙΤΗ 1/11- Κρυπτοσυστήματα τμήματος. 
- Δίκτυα Feistel. 
- Κρυπτοσύστημα DES, S-boxes, MITM attack. 
- Βελτιώσεις: 3-DES, DES-X.
 Προτεινόμενη μελέτη: [ΖΠΓ] 5.1-5.3ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ 4/11
 - Τρόποι Λειτουργίας του DES
- Το κρυπτοσύστημα AES
 Προτεινόμενη μελέτη: [ΖΠΓ] 5.3 - 5.6
- Κρυπτοσυστήματα τμήματος. 
- Εβδομάδα 7/11 - 11/11Εβδομάδα 7/11 - 11/11ΤΡΙΤΗ 8/11- Αλγεβρική περιγραφή του AES
 Δείτε και στο επίσημο site του NIST. Δεν έγινε η 2η ώρα λόγω συνέλευσης των φοιτητών.ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ 11/11- Γεννήτριες Ψευδοτυχαιότητας
- Ψευδοτυχαίες συναρτήσεις και μεταθέσεις
- Blum-Blum-Shub
- Κρυπτοσυστήματα ροής
- RC4
- Καταχωρητές Ολίσθησης Γραμμικής Ανάδρασης
- eStream
 Slides: Stream CiphersΠροτεινόμενη Μελέτη: [ΖΠΓ] 5.7 (έως και 5.7.3)
- Εβδομάδα 14/11 - 18/11Εβδομάδα 14/11 - 18/11ΤΡΙΤΗ 15/11Δεν έγινε μάθημα λόγω των εκδηλώσεων για την επέτειο του Πολυτεχνείου.ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ 18/11 - Συναρτήσεις Σύνοψης- Μονόδρομες Συναρτήσεις
- Συναρτήσεις Σύνοψης
- Παράδοξο - Επιθέσεις Γενεθλίων
 Slides: Hash Functions (1-18) Προτεινόμενη Μελέτη: [ΖΠΓ] 6.1, 8.1- 8.2, [LK2] 5.1, 5.4.1 
- Εβδομάδα 21/11 - 25/11Εβδομάδα 21/11 - 25/11ΤΡΙΤΗ 22/11 - Συναρτήσεις Σύνοψης - Βελτιωμένες Επιθέσεις Γενεθλίων
- Κατασκευή Merkle-Damgård
- Δένδρα Merkle
- Χρήσεις συναρτήσεων σύνοψης
 Slides: Hash Functions (19-32) Προτεινόμενη Μελέτη: [ΖΠΓ] 8.2-8.3, [LK2]: 5.2, [BoSh]: 8.3, 8.4 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ 25/11 - Εφαρμογές Συναρτήσεων Σύνοψης - Εισαγωγή στην Κρυπτογραφία Δημοσίου Κλειδιού - Σχήματα Δέσμευσης
- Ασφαλής αποθήκευση κωδικών
- Timestamping
- Εισαγωγή στο Proof Of Work
 Slides: Hash Applications (Δ. Ζήνδρος) - Κρυπτογραφία δημοσίου κλειδιού
- To κρυπτοσύστημα RSA - Απόδειξη ορθότητας
- Τιμές Παραμέτρων
 Slides: RSA 1-16 Προαιρετική μελέτη: Factorization of a 768-bit RSA modulus (iacr.org) 
- Εβδομάδα 28/11 - 02/12Εβδομάδα 28/11 - 02/12ΤΡΙΤΗ 29/11 Το κρυπτοσύστημα RSA - Επανάληψη ορισμού
- Παρατηρήσεις (Επιλογή p, q, e) - Επιτάχυνση Αποκρυπτογράφησης
- Σχετικά δύσκολα προβλήματα και αναγωγές μεταξύ τους
- Αριθμοθεωρητικές Επιθέσεις
- Έλλειψη IND-CPA, IND-CCA. Malleability
 Slides: RSA 17-40,45,46 Προαιρετική μελέτη: - Dan Boneh, Twenty Years of Attacks on the RSA Cryptosystem (nmsu.edu)
- Alexander May, Computing the RSA Secret Key is Deterministic Polynomial Time Equivalent to Factoring, (pdf)
- Arjen K. Lenstra, James P. Hughes, Maxime Augier, Joppe W. Bos, Thorsten Kleinjung, and Christophe Wachter, Ron was wrong, Whit is right, (pdf)
 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ 02/12 Το κρυπτοσύστημα RSA (ολοκλήρωση) - Διαρροή parity - location bits και 'σπάσιμο' RSA
- Επιθέσεις Padding Oracle (Bleichenbacher)
- RSA - OAEP
 Slides: RSA 41-56. Συνολική Μελέτη RSA: [ΖΠΓ] 6.4, [LK2] 11.5.1, 11.5.2, 11.5.4, 11.5.6, [BoSh] 10.3 Προαιρετική μελέτη: - Daniel Bleichenbacher. Chosen Ciphertext Attacks Against Protocols Based on the RSA Encryption Standard PKCS #1 (pdf)
 Κρυπτοσυστήματα Διακριτού Λογαρίθμου - Ανταλλαγή κλειδιού DH και DLP, CDHP, DDHP (επανάληψη)
- Αλγόριθμοι Διακριτού Λογαρίθμου (Shanks, Pohlig-Hellman)
- Ευκολία DDHP στο Z_p^*
- Επιλογή Ομάδας, Μέγεθος παραμέτρων
 Slides: EG 1-15. Μελέτη: [ΖΠΓ] 4.8, [LK2] 8.3.2, 8.3.3, 9.2.1, 9.2.2 
- Εβδομάδα 5/12 - 9/12Εβδομάδα 5/12 - 9/12ΤΡΙΤΗ 6 / 12 Δεν έγινε μάθημα στη σχολή. Προαιρετική μελέτη: - Dan Boneh, The Decision Diffie-Hellman Problem (pdf)
 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ 9/12 - Το κρυπτοσύστημα ElGamal
- Το κρυπτοσύστημα Cramer-Shoup
- Σχήματα δέσμευσης με βάση τον διακριτό λογάριθμο
- Secret Sharing - Threshold ElGamal
 Slides: EG (16-59) Μελέτη: [ΖΠΓ] 6.5, 9.2, 9.3 [LK2] 11.4.1, 13.3 [BoSh] 10.6.1, 11.5, 11.6 
- Εβδομάδα 12/12-16/12Εβδομάδα 12/12-16/12ΤΡΙΤΗ 13/12/2022 - Ψηφιακές Υπογραφές - Ορισμός
- Μοντελοποίηση Ασφάλειας
- Ψηφιακές Υπογραφές RSA, RSA-FDH
- Το μοντέλου του τυχαίου μαντειου
- Μη πλαστογραφησιμότητα RSA-FDH στο μοντέλου του τυχαίου μαντείου
- Υπογραφές ElGamal
 Slides: DS 1-42 Μελέτη: [ΖΠΓ] 7.1 - 7.4, [LK2] 12.1 - 12.4. Προαιρετική Μελέτη: Σημειώσεις Bellare - Rogaway για RSA-FDH και απόδειξη μη πλαστογραφησιμότητας (12.3.5 - pdf) ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ 16/12/2022 - Ψηφιακές Υπογραφές DSA
- Υποδομή Δημοσίου Κλειδιού
 Slides: DS 43-58 - Αποδείξεις μηδενικής γνώσης
- Παραδείγματα από Θ. Πολυπλοκότητας
- Σ-Πρωτόκολλα
- Υπογραφές Schnorr
 Slides: ZK 1-49 Μελέτη: [ΖΠΓ] 10.1 - 10.3. Προαιρετική Μελέτη: How To Simulate It - A Tutorial on the Simulation Proof Technique (iacr.org) (Ch.1, 2, 3, 5). 
- Εβδομάδα 19/12-23/12Εβδομάδα 19/12-23/12ΤΡΙΤΗ 20/12 - Blockchain - Consensus
- Εισαγωγή στο bitcoin
 Προτεινόμενη μελέτη: [ΖΠΓ] 11.3 - 11.4 Διαφάνειες: Blockchain-Consensus και Bitcoin (Δ.Ζήνδρος) Προαιρετική μελέτη: Bitcoin's Academic Pedigree, Arvind Narayanan and Jeremy Clark 
- Εβδομάδα 9/1-13/1Εβδομάδα 9/1-13/1ΤΡΙΤΗ 10.01.2023 Κρυπτοψηφοφορίες - Απαιτήσεις ηλεκτρονικών ψηφοφοριών
- Ομομορφικά συστήματα
- (Επαληθεύσιμα) Δίκτυα Μίξης
- Ψηφοφορίες με τυφλές υπογραφές
- Ανοιχτά Θέματα
 Μελέτη: [ΖΠΓ] 11.1μ [LK2] 13.3.3 Προαιρετική Μελέτη: [1707.08619] Public Evidence from Secret Ballots (arxiv.org) ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ 13.01.2023 Ελλειπτικές Καμπύλες - Μαθηματικό υπόβαθρο
- Κρυπτογραφικά πρωτόκολλα βασισμένα σε ελλειπτικές καμπύλες
- Pairing-Based Crypto και εφαρμογές
 
- Εβδομάδα 16/1-20/1