論文の概要: Rudraksh: A compact and lightweight post-quantum key-encapsulation mechanism

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2501.13799v1
• Date: Thu, 23 Jan 2025 16:16:23 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-01-24 15:54:43.867802
• Title: Rudraksh: A compact and lightweight post-quantum key-encapsulation mechanism
• Title（参考訳）: Rudraksh: コンパクトで軽量な後量子鍵カプセル化機構
• Authors: Suparna Kundu, Archisman Ghosh, Angshuman Karmakar, Shreyas Sen, Ingrid Verbauwhede,
• Abstract要約: ワイヤレスセンサやIoT(Internet of Things)デバイスといった、リソースに制約のあるデバイスは、私たちのデジタルエコシステムにおいてユビキタスになっています。 既存の公開鍵暗号スキームに対する量子コンピュータの差し迫った脅威とIoTデバイス上で利用可能な限られたリソースのため、これらのデバイスに適した軽量なポスト量子暗号スキームが重要である。 本研究では,資源制約デバイスに適した軽量キーカプセル化機構(KEM)を設計するために,エラーベースのPQCスキームを用いた学習空間について検討する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 5.002862916626837
• License:
• Abstract: Resource-constrained devices such as wireless sensors and Internet of Things (IoT) devices have become ubiquitous in our digital ecosystem. These devices generate and handle a major part of our digital data. However, due to the impending threat of quantum computers on our existing public-key cryptographic schemes and the limited resources available on IoT devices, it is important to design lightweight post-quantum cryptographic (PQC) schemes suitable for these devices. In this work, we explored the design space of learning with error-based PQC schemes to design a lightweight key-encapsulation mechanism (KEM) suitable for resource-constrained devices. We have done a scrupulous and extensive analysis and evaluation of different design elements, such as polynomial size, field modulus structure, reduction algorithm, and secret and error distribution of an LWE-based KEM. Our explorations led to the proposal of a lightweight PQC-KEM, Rudraksh, without compromising security. Our scheme provides security against chosen ciphertext attacks (CCA) with more than 100 bits of Core-SVP post-quantum security and belongs to the NIST-level-I security category (provide security at least as much as AES-128). We have also shown how ASCON can be used for lightweight pseudo-random number generation and hash function in the lattice-based KEMs instead of the widely used Keccak for lightweight design. Our FPGA results show that Rudraksh currently requires the least area among the PQC KEMs of similar security. Our implementation of Rudraksh provides a $\sim3\times$ improvement in terms of the area requirement compared to the state-of-the-art area-optimized implementation of Kyber, can operate at $63\%$-$76\%$ higher frequency with respect to high-throughput Kyber, and improves time-area-product $\sim2\times$ compared to the state-of-the-art compact implementation of Kyber published in HPEC 2022.
• Abstract（参考訳）: ワイヤレスセンサやIoT(Internet of Things)デバイスといった、リソースに制約のあるデバイスは、私たちのデジタルエコシステムにおいてユビキタスになっています。 これらのデバイスは、私たちのデジタルデータの主要な部分を生成し、処理します。 しかしながら、既存の公開鍵暗号スキームとIoTデバイスで利用可能な限られたリソースに対する量子コンピュータの脅威が迫っているため、これらのデバイスに適した軽量な量子後暗号(PQC)スキームを設計することが重要である。 本研究では,資源制約デバイスに適した軽量キーカプセル化機構(KEM)を設計するために,エラーベースのPQCスキームを用いた学習空間について検討した。 我々は,LWE ベースの KEM の秘密と誤りの分布,例えば多項式サイズ,フィールド係数構造,縮小アルゴリズムなど,様々な設計要素の厳密かつ広範囲な解析と評価を行った。 我々の調査は、セキュリティを損なうことなく軽量なPQC-KEMであるRudrakshの提案につながった。 我々の方式は、選択暗号文攻撃(CCA)に対して100ビット以上のCore-SVP後セキュリティを提供し、NISTレベルIセキュリティカテゴリに属している(少なくともAES-128のセキュリティを提供する)。 また,軽量設計に広く使用されているKeccakではなく,格子型KEMの擬似乱数生成とハッシュ関数にASCONをどのように利用できるかを示した。 FPGAの結果から, Rudraksh は PQC KEM において, 同様のセキュリティの最小領域を必要とすることがわかった。 我々のRudrakshの実装は、最先端の領域最適化実装と比較して、領域要件に関して$\sim3\times$の改善を提供し、高スループットのKyberに対して63\%$-76\%$高周波数で動作可能であり、HPEC 2022で発表されたKyberの最先端のコンパクト実装と比較して、時間領域積$\sim2\times$の改善を提供する。

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