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Towards Stream Ciphers for Efficient FHE with Low-Noise Ciphertexts

Authors :
Pierrick, Méaux
Journault, Anthony
Standaert, François-Xavier
Carlet, Claude
Advances in Cryptology - 35th Annual International Conference on the Theory and Applications of Cryptographic Techniques (EUROCRYPT 2016)
Construction and Analysis of Systems for Confidentiality and Authenticity of Data and Entities (CASCADE)
Département d'informatique - ENS Paris (DI-ENS)
École normale supérieure - Paris (ENS-PSL)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Paris (ENS-PSL)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria de Paris
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)
Université Paris sciences et lettres (PSL)
Laboratoire d'informatique de l'école normale supérieure (LIENS)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université Catholique de Louvain = Catholic University of Louvain (UCL)
Université Paris 8 Vincennes-Saint-Denis - Département de Mathématiques
Université Paris 8 Vincennes-Saint-Denis (UP8)
Laboratoire Analyse, Géométrie et Applications (LAGA)
Université Paris 8 Vincennes-Saint-Denis (UP8)-Université Paris 13 (UP13)-Institut Galilée-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Marc Fischlin
Jean-Sébastien Coron
Inria de Paris
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Département d'informatique de l'École normale supérieure (DI-ENS)
École normale supérieure - Paris (ENS Paris)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université Paris 8 Vincennes-Saint-Denis (UP8)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Galilée-Université Paris 13 (UP13)
UCL - SST/ICTM/ELEN-Pôle en ingénierie électrique
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria de Paris
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)
Source :
Advances in Cryptology – EUROCRYPT 2016, Advances in Cryptology – EUROCRYPT 2016, May 2016, Wien, Austria. pp.311-343, ⟨10.1007/978-3-662-49890-3_13⟩, Advances in Cryptology – EUROCRYPT 2016 ISBN: 9783662498897, EUROCRYPT (1)
Publication Year :
2016
Publisher :
HAL CCSD, 2016.

Abstract

International audience; Symmetric ciphers purposed for Fully Homomorphic Encryption FHE have recently been proposed for two main reasons. First, minimizing the implementation time and memory overheads that are inherent to current FHE schemes. Second, improving the homomorphic capacity, i.e. the amount of operations that one can perform on homomorphic ciphertexts before bootstrapping, which amounts to limit their level of noise. Existing solutions for this purpose suggest a gap between block ciphers and stream ciphers. The first ones typically allow a constant but small homomorphic capacity, due to the iteration of rounds eventually leading to complex Boolean functions hence large noise. The second ones typically allow a larger homomorphic capacity for the first ciphertext blocks, that decreases with the number of ciphertext blocks due to the increasing Boolean complexity of the stream ciphers' output. In this paper, we aim to combine the best of these two worlds, and propose a new stream cipher construction that allows constant and smaller noise. Its main idea is to apply a Boolean filter function to a public bit permutation of a constant key register, so that the Boolean complexity of the stream cipher outputs is constant. We also propose an instantiation of the filter function designed to exploit recent 3rd-generation FHE schemes, where the error growth is quasi-additive when adequately multiplying ciphertexts with the same amount of noise. In order to stimulate further investigation, we then specify a few instances of this stream cipher, for which we provide a preliminary security analysis. We finally highlight the good properties of our stream cipher regarding the other goal of minimizing the time and memory complexity of calculus delegation for 2nd-generation FHE﾿schemes. We conclude the paper with open problems related to the large design space opened by these new constructions.

Details

Language :
English
ISBN :
978-3-662-49889-7
ISBNs :
9783662498897
Database :
OpenAIRE
Journal :
Advances in Cryptology – EUROCRYPT 2016, Advances in Cryptology – EUROCRYPT 2016, May 2016, Wien, Austria. pp.311-343, ⟨10.1007/978-3-662-49890-3_13⟩, Advances in Cryptology – EUROCRYPT 2016 ISBN: 9783662498897, EUROCRYPT (1)
Accession number :
edsair.doi.dedup.....bee860da2c043b15c3f4ae46546cd0cd
Full Text :
https://doi.org/10.1007/978-3-662-49890-3_13⟩