Στην παρούσα εργασία καταγράφεται μία μεθοδολογία για τον συνδυασμό των επιστημών της Κρυπτογραφίας και της Εξόρυξης Δεδομένων. Με τον προτεινόμενο αλγόριθμο είναι δυνατόν η εξόρυξη δεδομένων χωρίς τη γνώση των ίδιων των δεδομένων και προστατεύοντας τα ίδια τα δεδομένα με πολλαπλούς τρόπους. Ο κάτοχος της βάσης δεδομένων απλά μπορεί στη συνέχεια να αποκρυπτογραφήσει με ασφάλεια τους κανόνες που προέκυψαν από την ανάλυση. / This paper describes a methodology for the combination of Cryptography and Data Mining. We propose an algorithm that makes possible the successful data mining without revealing the data itself and maximizing the security. A database owner can later safely decrypt the results of the data mining classification analysis.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται σχεδιασμούς και υλοποιήσεις σε υλικό αρχιτεκτονικών για κρυπτογραφικές συναρτήσεις κατακερματισμού. Στόχος ήταν η ανάπτυξη αρχιτεκτονικών πολλαπλών λειτουργιών για συναρτήσεις κατακερματισμού της οικογένειας Secure Hash Algorithms (SHA). Αναλυτικότερα, αρχικά έλαβε χώρα μελέτη τριών συναρτήσεων κατακερματισμού, και συγκεκριμένα των SHA-1, SHA-256 και SHA-512, καθώς και των αντίστοιχων αρχιτεκτονικών τους (τέσσερα στάδια pipeline). Στη μελέτη αυτή έγινε ανάλυση και εντοπισμός ομοιοτήτων και διαφορών των αρχιτεκτονικών αυτών, όσον αφορά τα δομικά τους στοιχεία και τις επιμέρους παραμέτρους τους. Με βάση τα αποτελέσματα αυτά, και αξιοποιώντας τις ομοιότητες των αρχικών αρχιτεκτονικών, σχεδιάστηκαν δύο αρχιτεκτονικές πολλαπλών λειτουργιών με τέσσερα στάδια pipeline: α) η SHA-1/256 που ενσωματώνει τις λειτουργίες των SHA-1 και SHA-256 αλγορίθμων και b) η SHA-1/256/512 που ενσωματώνει τις λειτουργίες και των τριών. Λόγω της παραπάνω αξιοποίησης, οι αρχιτεκτονικές αυτές παρουσιάζουν μικρή απώλεια σε ταχύτητα, ενώ ταυτόχρονα η επιφάνεια ολοκλήρωσης κρατείται σε χαμηλά επίπεδα. Η ορθή λειτουργία των παραπάνω αρχιτεκτονικών επιβεβαιώθηκε, αρχικά, μέσω εξομοίωσης με το ModelSim της Mentor Graphics, Στη συνέχεια, εκτελέστηκε σύνθεση και place-&-route των αρχιτεκτονικών σε FPGAs της Xilinx (οικογένειες Virtex-4, Virtex-5, Virtex-6) με χρήση της σουίτας Xilinx ISE Design Suite v12.1, από όπου προέκυψαν οι μετρικές της απόδοσής τους (συχνότητα, επιφάνεια, ρυθμαδόποση). Τέλος, πραγματοποιήθηκε, ενδεικτικά, υλοποίηση της αρχιτεκτονικής SHA-1/256 στο board Spartan 3E (xc3s500E) και εκ νέου επιβεβαίωση της ορθής λειτουργίας. / This thesis deals with the design and implementation in hardware architectures for cryptographic hash functions. The aim was to develop multi-mode architectures for the Secure Hash Algorithms (SHA) famylies. Specifically, the study initially held three hash functions, namely SHA-1, SHA-256 and SHA-512, as well as their respective architectures (four-stage pipeline). This study has analyzed and identified similarities and differences of these architectures, on their components and sub-parameters. Based on these results, and using the similarities of the original architecture, we designed two multi-mode architectures with four-stage pipeline: a) SHA-1/256 that integrates the functions of the SHA-1 and SHA-256 algorithms and b) the SHA -1/256/512 incorporating the functions of all three. Due to the above use, the architectures have little loss in speed, while the chip area is kept low. The proper functioning of these architectures was, initially, through simulation with ModelSim (Mentor Graphics), then performed synthesis and place-&-route architectures of FPGAs to Xilinx (families of Virtex-4, Virtex-5, Virtex-6) using the Xilinx ISE Design Suite v12.1, from which emerged the metrics of performance (frequency, area, throughput). Finally, for demonstration reasons, an implementation of the architecture SHA-1/256 board Spartan 3E (xc3s500E) and re-confirmation of its correct operation took place.

Η ανάγκη για ασφαλή αποθήκευση και μετάδοση πληροφορίας είναι αναπόσπαστο κομμάτι της ανθρώπινης ιστορίας. Αυτή η ανάγκη αρχικά δημιουργήθηκε λόγω των διαφορών των ανθρώπων σε επίπεδο κοινωνικό, πολιτικό, στρατιωτικό ή ακόμη και θρησκευτικών πεποιθήσεων. Σήμερα, η ραγδαία ανάπτυξη των επικοινωνιακών συστημάτων προσφέρει, σε ένα μεγάλο ποσοστό ανθρώπων, πρόσβαση σε μία τεράστια ποσότητα πληροφορίας και μία ποικιλία από ηλεκτρονικά μέσα με σκοπό την ανταλλαγή προσωπικών δεδομένων. Για αυτό το λόγο, κάθε πληροφορία που μεταδίδεται χρειάζεται να μετατραπεί σε μία μη αναγνωρίσιμη μορφή έτσι ώστε να διασφαλιστεί η ασφάλεια της. Αυτή η επεξεργασία (κρυπτογράφηση) των δεδομένων είναι αναγκαίο να συμβεί σε πραγματικό χρόνο και για αυτό το λόγο έχουν αναπτυχθεί αρκετοί αλγόριθμοι κρυπτογράφησης. Σαν παράδειγμα υλοποίησης κρυπτογραφικών αλγόριθμων παρουσιάζονται στην παρούσα εργασία οι αλγόριθμοι DES και Triple DES (TDEA). Ο DES χρησιμοποιείται στον τομέα κρυπτογράφησης δεδομένων με μία σχετικά καλή απόδοση ασφάλειας. Η υλοποίηση του συνήθως διαχωρίζεται σε προσεγγίσεις λογισμικού (software) ή υλικού (hardware). Ο TDEA αποτελεί έναν αλγόριθμο, ο οποίος προέρχεται από τον DES και παρουσιάζει μεγαλύτερη ανθεκτικότητα από αυτόν σε κρυπταναλυτικές επιθέσεις. Στην παρούσα εργασία γίνεται θεωρητική ανάλυση των δύο αλγορίθμων με βάση το πρότυπο που τους περιγράφει καθώς και χρήση παραδειγμάτων πάνω σε αυτό. Στη συνέχεια οι αλγόριθμοι υλοποιούνται σε λογισμικό με τη χρήση της γλώσσας προγραμματισμού C++, αλλά και σε υλικό χρησιμοποιώντας τη γλώσσα VHDL. Πιο συγκεκριμένα στο 1ο κεφάλαιο γίνεται μία εισαγωγή στην κρυπτογραφία, η ιστορική αναδρομή της και παρουσιάζονται βασικοί ορισμοί και αλγόριθμοι κρυπτογράφησης. Στο 2ο κεφάλαιο μελεντώνται τα συμμετρικά κρυπτοσυστήματα και οι λειτουργίες τους, γίνεται αναφορά στους συμμετρικούς αλγορίθμους που χρησιμοποιούνται σήμερα, DES, TDEA, AES, Blowfish κ.α. Επίσης αναφέρονται τα βασικά σημεία των ασύμμετρων αλγορίθμων με σκοπό την σύγκριση τους με τα συμμετρικά. Βασικό κορμό της εργασίας αποτελεί το 3ο κεφάλαιο όπου μελετώνται αναλυτικά η λειτουργία, εφαρμογές και υλοποιήσεις των συμμετρικών αλγορίθμων DES και TDEA. Στο 4ο και 5ο κεφάλαιο αναλύεται η υλοποίηση των δύο αυτών αλγορίθμων τόσο σε επίπεδο λογισμικού όσο και σε επίπεδο υλικού και παρούσιάζεται η διαδικτυακή υλοποίηση τους. Στο 6ο και τελευταίο κεφάλαιο εξάγονται συμπεράσματα και γίνονται προτάσεις για μελλοντική εργασία. / Τhe need for secure storage or transfer of information has been an inseperable part of human history. This need was initially created by the difference in social, political, military or even religious persuasions among people. Nowadays, the rapid evolution of communication systems offers, to a very large percentage of population, access to a huge amount of information and a variety of means to use, in order to exchange personal data. Therefore, every single transmitted bit of information needs to be processed into an unrecognizable form in order to be secured. This encipherment of the data is necessary to take place in real time and for this procedure, a variety of encryption algorithms have been developed. DES (Data Encryption Standard) and Triple-DES algorithms are used as an example for the implementation of cryptographic algorithms. DES can be regarded as a data encryption standard technology which is widely used in the field of data encryption with a relatively good safety performance. Implementation of DES is usually divided into software and hardware approaches. The TDEA is an algorithm which is derived from DES and has greater resistance in cryptanalysis attacks. In this Master Thesis is presented a theoretical analysis of the two algorithms based on the standard and use of examples. Furthermore, the two algorithms are implemented in software using C++, but also in hardware using VHDL. More specifically, in the 1st chapter an introduction in cryptography , its historical eventuality and basic definitions are presented. The 2nd chapter describes the general characteristics of symmetric cryptosystems and their functions. A reference in symmetric algorithms that are used nowadays, is made, such as DES, TDEA, AES, Blowfish. Moreover, some of the basics of asymmetric algorithms are mentioned, in order to permorm a comparison analysis with symmetrics. The main part of this Master Thesis is the 3rd chapter, where the detailed function and applications of DES and TDEA are explained. In the next two chapters, the implementation of the two algorithms is presented, in both software and hardware. Furthermore, their implementation is extended so as to be used in a web application. In the 6th chapter concluding remarks are made and future work is suggested.

Ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων αποτελείται από χωρικά κατανεμημένες αυτόνομες συσκευές, οι οποίες χρησιμοποιούν αισθητήρες για την συνεργατική παρακολούθηση φυσικών και περιβαλλοντικών συνθηκών. Ένας κόμβος ενός δικτύου αισθητήρων συνήθως αποτελείται από ένα μικροελεγκτή, ένα ραδιο-πομποδέκτη, μια πηγή ενέργειας, η οποία συχνά είναι μια μπαταρία και διαφόρων ειδών αισθητήρες (π.χ. θερμοκρασίας, υγρασίας, φωτεινότητας). Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων προσφέρουν οικονομικά βιώσιμες λύσεις σε ποικίλες εφαρμογές. Δίκτυα τέτοιου τύπου δραστηριοποιούνται σε βιοιατρικές, στρατιωτικές, βιομηχανικές εφαρμογές καθώς και εφαρμογές παρακολούθησης του φυσικού περιβάλλοντος. Επιπλέον, τα δίκτυα αισθητήρων είναι κλειδί για τη δημιουργία έξυπνων χώρων που ενθέτουν τεχνολογία πληροφορίας στα καθημερινά περιβάλλοντα εργασίας και κατοικίας. Λόγω της χρήσης τέτοιων δικτύων σε περιβάλλοντα που ανταλλάσσονται ευαίσθητες πληροφορίες, δημιουργούνται θέματα ασφάλειας και μυστικότητας. Χαρακτηριστικά των διαφόρων εφαρμογών όπως η λειτουργία σε αντίξοα περιβάλλοντα, η ελλιπής γνώση της τοπολογίας του δικτύου, οι δυνατότητες αυτο-οργάνωσης και αυτόματης διόρθωσης λειτουργιών και η λειτουργία χωρίς ανθρώπινη επιτήρηση καθιστούν τη διατήρηση της ασφάλειας μια μεγάλη πρόκληση. Ένας κλάδος που παρέχει λύσεις σε προβλήματα ασφαλείας είναι αυτός της κρυπτογραφίας. Η κρυπτογραφία είναι μια καλά εδραιωμένη επιστημονική περιοχή, με πρωτόκολλα και πρότυπα τα οποία τυγχάνουν ευρείας αναγνώρισης. Παρόλα αυτά, η χρήση τους σε περιβάλλοντα περιορισμένων πόρων όπως αυτά των ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων, απαιτεί προσαρμογές. Η απαίτηση αυτή προκύπτει λόγω των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών των δικτύων αυτών και των κόμβων που τα απαρτίζουν όπως η χαμηλή υπολογιστική ισχύς, οι περιορισμένες δυνατότητες αποθήκευσης και η περιορισμένη διαθέσιμη ενέργεια καθώς και η επικοινωνία ασύρματης φύσης που υιοθετείται. Ένα επιπλέον πρόβλημα που παρουσιάζεται στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, είναι η ετερογένεια. Οι συσκευές αισθητήρων που παράγονται από τη βιομηχανία σήμερα, έχουν διαφορετικές υπολογιστικές δυνατότητες και εκτελούν διαφορετικά λειτουργικά συστήματα. Κάποιες αποτελούνται από μικροεπεξεργαστές 8-bit και έχουν ελάχιστη ποσότητα μνήμης RAM, ενώ άλλες έχουν πολύ μεγάλη υπολογιστική δύναμη και μπορούν να εκτελέσουν desktop λειτουργικά συστήματα όπως Linux. Έτσι, ενώ είναι σχετικά εύκολο να αναπτύξει κανείς μια εφαρμογή για μια συγκεκριμένη πλατφόρμα, είναι πολύ δύσκολο να γράψει γενικό κώδικα ανεξάρτητο της πλατφόρμας μεταγλώτισσης. Έτσι, υπάρχοντες υλοποιημένοι αλγόριθμοι και εφαρμογές πρέπει να τροποποιούνται κατάλληλα για να μπορούν να προσαρμοστούν σε διαφορετικά περιβάλλοντα ανάπτυξης. Μια απάντηση στο παραπάνω πρόβλημα δίνει η βιβλιοθήκη Wiselib η οποία προσφέρει ένα προγραμματιστικό περιβάλλον για την ανάπτυξη γενικών αλγορίθμων που έχουν ως στόχο την εκτέλεσή τους σε ετερογενή δίκτυα αισθητήρων. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι να προσφέρει λύσεις στα δύο προαναφερθέντα προβλήματα, ανάπτυσσοντας κρυπτογραφικούς αλγόριθμους για ετερογενή ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Για την επίτευξη του σκοπού αυτού, αναπτύσουμε μια κρυπτογραφική βιβλιοθήκη στο προγραμματιστικό περιβάλλον της Wiselib, μιας γενικής βιβλιοθήκης αλγορίθμων για ετερογενή δίκτυα αισθητήρων. Η Wiselib είναι υλοποιημένη σε C++ και με χρήση τεχνικών όπως τα πρότυπα και οι inline συναρτήσεις, επιτρέπει τη συγγραφή γενικού κώδικα ο οποίος αναλύεται και δεσμεύεται κατά τη διαδικασία μεταγλώττισσης χωρίς να δημιουργείται πλεονασμός μνήμης ή υπολογισμού. Λόγω των απαιτήσεων ασφαλείας που δημιουργούνται από τις εφαρμογές δικτύων αισθητήρων καθώς και των περιορισμένων υπολογιστικών πόρων, η κρυπτογραφική μας βιβλιοθήκη παρέχει αλγορίθμους τόσο συμμετρικής όσο και ασυμμετρικής κρυπτογραφίας. Οι αλγόριθμοι ασυμμετρικής κρυπτογραφίας βασίζονται στην κρυπτογραφία ελλειπτικών καμπυλών. Οι ελλειπτικές καμπύλες αποτελούν ένα ιδανικό σύστημα για ανάπτυξη κρυπτογραφίας δημοσίου κλειδιού σε ενσωματωμένα περιβάλλοντα τα οποία υστερούν σε επεξεργαστική ισχύ, μνήμη και ενέργεια. Αυτό ισχύει διότι τα συστήματα ελλειπτικών καμπυλών προσφέρουν το ίδιο επίπεδο ασφάλειας με άλλα κρυπτοσυστήματα (π.χ. RSA) με χρήση πολύ μικρότερου μεγέθους κλειδιών. Έτσι, συνολικά η βιβλιοθήκη μας παρέχει τους εξής αλγορίθμους: τον αλγόριθμο συμμετρικής κρυπτογράφησης AES, τον αλγόριθμο κατακερματισμού SHA-1, το σχήμα συμφωνίας κλειδιών Diffie Hellman (ECDH), τον αλγόριθμο ασυμμετρικής κρυπτογράφησης ECIES και το σχήμα ψηφιακής υπογραφής ECDSA. Για την ανάλυση της απόδοσης της κρυπτογραφικής μας βιβλιοθήκης γίνεται πειραματική αξιολόγηση (χρόνος εκτέλεσης, ενέργεια,μέγεθος μεταφρασμένου κώδικα) των παραπάνω αλγορίθμων σε δύο συσκευές ( iSense, TelosB) με διαφορετικές επεξεργαστικές δυνατότητες (16 MHz, 8 MHz) που τρέχουν διαφορετικά λειτουργικά συστήματα (iSense OS, Contiki Sky). Το γεγονός ότι αξιολογήσαμε τους κρυπτογραφικούς αλγορίθμους σε δύο συσκευές διαφορετικών δυνατοτήτων και περιβαλλόντων ανάπτυξης, αποδεικνύει τη γενικότητα της υλοποίησης μας.Τέλος, για να αποδείξουμε την ευκολία χρήσης των υλοποιημένων αλγορίθμων παρουσιάζουμε τρεις εφαρμογές δικτύων αισθητήρων που τους χρησιμοποιούνε. Πιο συγκεκριμένα, επιδεικνύουμε πως οι κρυπτογραφικοί αλγόριθμοι μπορούν να συνδυαστούν με αλγορίθμους δρομολόγησης και ομαδοποίησης που παρέχει η βιβλιοθήκη Wiselib, με αποτέλεσμα να δημιουργηθούν ασφαλείς εφαρμογές δικτύων αισθητήρων. / A wireless sensor network consists of spatially distributed autonomous devices, that use sensors in order to cooperatively monitor natural and environmental conditions. A wireless sensor network node typically consists of a micro-processor, a radio transceiver, an energy source (usually a battery) and various kinds of sensors that measure different environmental conditions (e.g. temperature, humidity, lightness). Wireless sensor networks are economically viable solutions to various applications. Networks of this type are used in biomedical, military, industrial as well as in applications that monitor the natural environment. Moreover, sensor networks are a key for the creation of smart spaces that introduce information technology in everyday environments like those of home and work. Because sensor networks are typically deployed in environments where sensitive information is communicated, security and privacy issues arise. Application characteristics like deployment in adverse environments, the incomplete knowledge of the network topology, the possibility of self-organization and the operation without human surveillance make the maintenance of security a big challenge. Cryptography is a science field that provides solutions to security problems. Cryptography is a well established science field that has provided protocols and standards of wide acceptance. However, the use of such protocols and standards in resource constrained environments, like those of sensor networks, requires changes and adaptations. This applies due to the special characteristics of such networks and the devices that consist them, e.g. the restricted processing power, the limited storage possibility and energy as well as the wireless nature of communication. A second problem that arises in wireless sensor networks is that of heterogeneity. The nodes produced by the industry today have different processing possibilities and execute various operating systems. Some nodes consist of 8-bit micro-processors that offer tiny amounts of RAM memory, whereas others are produced with 32-bit processors that can even execute desktop operating systems like Linux. Thus, while it is easy for a developer to implement a platform specific application, it is quite difficult to write some generic platform independent code. In order to re-use implemented applications and algorithms in different development environments a programmer has to make adaptations and changes according to the new platform specifications. A solution to this problem is provided by Wiselib. Wiselib offers an development environment suitable for the implementation of generic algorithms that can be compiled and executed on heterogenous wireless sensor networks. The objective of this work is to provide solutions to the aforementioned sensor network problems (security, heterogeneity). For this reason, we develop a cryptographic library on the generic program environment of Wiselib, a generic algorithm library for heterogenous sensor networks. Wiselib is implemented in C++ and employing advanced techniques, like templates and inline functions, it allows writing of generic code that can be allocated and resolved during compilation without producing computation or memory overhead. Due to the security requirements imposed by the sensor network applications and the resource restrictions by the sensor nodes, our cryptographic library provides symmetric as well as asymmetric cryptographic algorithms. The public key algorithms are based on elliptic curve cryptography. Elliptic curves consist an ideal system for the development of public key cryptography in resource constrained environments that offer restricted computation power, memory and energy. That is because elliptic curve cryptosystems offer the same level of security with other public key cryptosystems (e.g. RSA), using much smaller key sizes. Thus, in total our cryptographic library provides the following algorithms: the symmetric encryption algorithm AES, the hash algorithm SHA-1, the key agreement scheme Diffie Hellman (ECDH), the public key encryption algorithm ECIES and the signature scheme ECDSA. In order to evaluate the performance of our cryptographic library we experimentally test (in terms of execution time, compiled code size, energy consumption) its algorithms on two devices (iSense, TelosB) with different processing possibilities (16 MHz, 8 MHz) that execute different operating systems (iSense OS, Contiki Sky). The fact that we evaluated the cryptographic algorithms on two different devices with unlike capabilities and that execute different operating systems proves that our implementation is generic. Finally, in order to prove the ease of use of the implemented cryptographic algorithms we present three sensor network applications that employ them. More precisely, we show how our cryptographic algorithms can be combined with routing and clustering algorithms (provided by Wiselib), resulting in secure sensor network applications.

Στις μέρες μας, η ασφαλής διακίνηση πληροφοριών και δεδομένων αποτελεί ένα μείζον ζήτημα. Προς αυτή την κατεύθυνση, τα σύγχρονα συστήματα ασφαλείας χρησιμοποιούν κρυπτογραφικούς αλγορίθμους για να παρέχουν εμπιστευτικότητα, ακεραιότητα και αυθεντικότητα των δεδομένων. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τα τελευταία χρόνια η επιστήμη της κρυπτογραφίας να αποτελεί ένα τομέα με μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον. Πιο συγκεκριμένα, η κρυπτογραφία δημοσίου κλειδιού παρουσιάζει γρήγορη ανάπτυξη και εφαρμόζεται ευρύτατα καθώς παρέχει μεγάλο βαθμό προστασίας των δεδομένων. Αυτό το χαρακτηριστικό επιτυγχάνεται χάρη στην υψηλή υπολογιστική πολυπλοκότητα που παρουσιάζουν οι χρησιμοποιούμενοι αλγόριθμοι κατά την προσπάθεια επίλυσής τους. Επιπλέον, αυτού του τύπου η κρυπτογραφία αποφεύγει το πρόβλημα της διανομής και διαχείρισης κλειδιών μέσα σε ένα μη ασφαλές κανάλι επικοινωνίας που παρουσιάζει η κρυπτογραφία ιδιωτικού κλειδιού. Παρόλα αυτά, η κρυπτογραφία δημοσίου κλειδιού εμφανίζει, και αυτή με τη σειρά της, το μειονέκτημα πως κατά την κρυπτογράφηση-αποκρυπτογράφηση απαιτούνται δαπανηρές αριθμητικές πράξεις (π.χ. modulo πολλαπλασιασμός, αντιστροφή). Το πρόβλημα αυτό επιβαρύνεται από το γεγονός πως το μήκος των κλειδιών σε αυτού του τύπου την κρυπτογραφία έχει πολύ μεγάλο μέγεθος έτσι ώστε να διασφαλιστεί ένα υψηλό επίπεδο ασφαλείας. Λύση στα παραπάνω προβλήματα αποτελεί η βελτιστοποίηση σχεδιασμού των αριθμητικών πράξεων που απαιτούνται σε ένα σύστημα δημοσίου κλειδιού καθώς και η χρήση ελλειπτικών καμπυλών αφού με αυτό τον τρόπο γίνεται χρήση μικρότερου μήκους κλειδιών για την επίτευξη του ίδιου επιπέδου ασφαλείας. Στην Κρυπτογραφία Ελλειπτικών Καμπυλών, ο Βαθμωτός Πολλαπλασιασμός αποτελεί την κύρια μαθηματική πράξη και περιλαμβάνει μια σειρά από άλλες λειτουργίες πάνω στα σημεία της καμπύλης οι οποίες αυξάνουν τη συνολική υπολογιστική πολυπλοκότητα του συστήματος. Οι χρησιμοποιούμενοι, λοιπόν, βαθμωτοί πολλαπλασιαστές αποτελούν τον κύριο στόχο των φυσικών επιθέσεων (επιθέσεων υλικού) οι οποίες έχουν ως σκοπό να αποκομίσουν σημαντικές πληροφορίες κατά τη διάρκεια εκτέλεσης ενός βαθμωτού πολλαπλασιασμού. Οι πιο ευρέως γνωστές τέτοιες επιθέσεις είναι οι επιθέσεις σφάλματος (Fault Attacks - FA) και οι επιθέσεις πλάγιου μονοπατιού (Side Channel Attacks - SCA). Η χρήση αντίμετρων, όμως, για αυτά τα είδη επιθέσεων κατά την υλοποίηση ενός βαθμωτού πολλαπλασιαστή δεν είναι μια απλή διαδικασία. Ο συνδυασμός διάφορων αντίμετρων σε μια ενιαία αρχιτεκτονική μπορεί να δημιουργήσει νέα τρωτά σημεία σε αυτό το σύστημα τα οποία μπορεί να εκμεταλλευτεί ένας επιτιθέμενος. Λόγω αυτού του γεγονότος και δεδομένου ότι το κόστος κάθε αντίμετρου στη συνολική απόδοση δεν είναι αμελητέο, είναι ιδιαιτέρως σημαντική η προσεκτική επιλογή του σχήματος προστασίας για την αρχιτεκτονική ενός βαθμωτού πολλαπλασιαστή. Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας μελετήθηκε η κρυπτογραφία δημοσίου κλειδιού η οποία βασίζεται στις Ελλειπτικές Καμπύλες με στόχο να προταθεί και να υλοποιηθεί ένα αποδοτικό κρυπτογραφικό σύστημα, τόσο από πλευράς ταχύτητας και απαιτούμενης επιφάνειας όσο και από πλευράς ασφάλειας. Σε αυτή τη μεθοδολογία σχεδιασμού δόθηκε μεγάλο βάρος στην προσπάθεια χρήσης μιας νέας μορφής Ελλειπτικών Καμπυλών, τις iv Καμπύλες Edwards, οι οποίες παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των συμβατικών ελλειπτικών καμπυλών (π.χ. Weierstrass), καθώς οι πράξεις πάνω στην καμπύλη μπορούν να υλοποιηθούν πιο αποτελεσματικά ενώ έχουν και ένα εγγενή μηχανισμό προστασίας ενάντια στις επιθέσεις πλάγιου μονοπατιού. Λόγω του γεγονότος πως οι καμπύλες αυτές ορίζεται πάνω σε ένα πεπερασμένο σώμα ( ), οι πράξεις μεταξύ των σημείων της καμπύλης βασίζονται στην αριθμητική πεπερασμένων σωμάτων. Για να αυξηθεί το προτεινόμενο επίπεδο προστασίας και η συνολική αποδοτικότητα χρησιμοποιήθηκε το Αριθμητικό Σύστημα Υπολοίπων (Residue Number System - RNS), το οποίο αντικαθιστά μια πράξη με δεδομένα μεγάλου μεγέθους με υπολογισμούς σε παράλληλα μονοπάτια μικρότερου μεγέθους. Επίσης, το σύστημα RNS λόγω της αναπαράστασης των αριθμών οι οποίοι βασίζονται σε αριθμητικά υπόλοιπα, έχει μια εγγενή προστασία ενάντια σε επιθέσεις σφάλματος καθώς οποιοδήποτε εισαχθέν σφάλμα σε μια μεταβλητή κατά τη διάρκεια ενός RNS υπολογισμού, διαδίδεται σε όλες τις άλλες μεταβλητές και καθιστά το αποτέλεσμα μη-χρησιμοποιήσιμο (αρχή μολυσματικού υπολογισμού). Για την περαιτέρω αύξηση του μηχανισμού προστασίας, ένας αλγόριθμος για το βαθμωτό πολλαπλασιασμό βασιζόμενος στο Montgomery Power Ladder υιοθετήθηκε ο οποίος χρησιμοποιεί τυχαιοποίηση και έλεγχο συνοχής σε μια προσπάθεια το προτεινόμενο σύστημα να παρουσιάζει αντοχή και ανθεκτικότητα ενάντια σε FA και SCA επιθέσεις χωρίς να δημιουργηθούν νέα τρωτά σημεία. / Nowadays, the secure transmission of information and data is a major issue. Towards this end, modern security systems use cryptographic algorithms to provide confidentiality, integrity and authenticity of data. As a result, in recent years the science of cryptography has become an area with a large scientific interest. In particular, public-key cryptography is being developed very fast and is widely applied as it provides a large degree of data protection. This characteristic is being achieved thanks to the high computational complexity of the used algorithms when trying to attack them. Moreover, this type of cryptography avoids the problem of distribution and key management in an insecure communication channel that is presented in private-key cryptography. However, public-key cryptography has the disadvantage that during encryption and decryption, costly arithmetic operations are required (e.g. modulo multiplication, inversion). This problem is aggravated by the fact that the length of the keys in this type of cryptography is very large in order to ensure a high level of security. A solution to the above problems is the design optimization of arithmetic operations required in a public key system and the use of elliptic curves due to the fact that shorter keys are used to achieve the same level of security. In the Elliptic Curve Cryptography, Scalar Multiplication constitutes the main mathematic operation and involves a series of other point operations that add up to the computational complexity of Elliptic Curve cryptography as a whole. Furthermore, scalar multipliers are the main target of physical, hardware, attacks aiming at extracting sensitive information during one scalar multiplication execution. The most widely used such attacks are fault injection attacks (FA) and side channel attacks (SCA). However, integrating FA and SCA countermeasures into a scalar multiplier implementation is not a straightforward task. Combining different countermeasures into a single architecture may create new vulnerabilities on this system that an attacker can exploit. Due to the above fact and since the performance cost of each FA-SCA countermeasure is not negligible, choosing the protection scheme for a scalar multiplier architecture must be done very carefully. In this thesis, public-key cryptography based on elliptic curves was studied aiming to propose and implement an efficient cryptographic system, both in terms of speed and space requirements and in terms of security. In this design methodology, great focus is given to the use of a new form of elliptic curves, Edwards Curves, which have significant advantages over conventional elliptic curves (e.g. Weierstrass), since the Edwards Curve operations can be more efficiently implemented and have an inherent protection mechanism against SCA. Due to the fact that these curves are defined over a finite field ( ), the operations between the points of the curve are based on arithmetic of finite fields. To enhance the proposed protection level and to increase performance efficiency, Residual Number System (RNS) was used, which replaces an operation of large data size with calculations on parallel paths of smaller size. Moreover, RNS due to its modulo basis number representation has inherent protection against fault injection attacks since any introduced fault in an involved variable during some RNS calculation, propagates to all the other variables and renders the result unusable (infective computing vii principle). To further enhance this protection mechanism, a Montgomery Power Ladder based scalar multiplication algorithm was adopted that employs randomization and check coherence in an effort to provide FA and SPA resistance against a wide range of attacks without introducing new vulnerabilities.

This doctoral thesis approaches the problem of designing versatile architectures for cryptographic hardware. By the term versatile we define hardware architectures capable of supporting a variety of arithmetic operations and algorithms useful in cryptography, with no need to reconfigure the internal interconnections of the integrated circuit. A versatile architecture could offer considerable benefits to the end-user. By embedding a variety of crucial operations in a common architecture, the user is able to switch seamlessly the underlying cryptographic protocols, which not only gives an added value in the design from flexibility but also from practicality point of view. The total cost of a cryptographic application can be also benefited; assuming a versatile integrated circuit which requires no additional circuitry for other vital operations (for example input–output converters) it is easy to deduce that the total cost of development and fabrication of these extra components is eliminated, thus reducing the total production cost. We follow a systematic approach for developing and presenting the proposed versatile architectures. First, an in-depth analysis of the algorithms of interest is carried out, in order to identify new research areas and weaknesses of existing solutions. The proposed algorithms and architectures operate on Galois Fields GF of the form GF(p) for integers and GF(2^n) for polynomials. Alternative number representation systems such as Residue Number System (RNS) for integers and Polynomial Residue Number System (PRNS) for polynomials are employed. The mathematical validity of the proposed algorithms and the applicability of RNS and PRNS in the context of cryptographic algorithms is also presented. The derived algorithms are decomposed in a way that versatile structures can be formulated and the corresponding hardware is developed and evaluated. New cryptanalytic properties of the proposed algorithms against certain types of attacks are also highlighted. Furthermore, we try to approach a fundamental problem in Very Large Scale Integration (VLSI) design, that is the problem of evaluating and comparing architectures using models independent from the underlying fabrication technology. We also provide generic methods to evaluate the optimal operation parameters of the proposed architectures and methods to optimize the proposed architectures in terms of speed, area, and area x speed product, based on the needs of the underlying application. The proposed methodologies can be expanded to include applications other than cryptography. Finally, novel algorithms based on new mathematical and design problems for the crucial operation of modular multiplication are presented. The new algorithms preserve the versatile characteristics discussed previously and it is proved that, along with existing algorithms in the literature, they may forma large family of algorithms applicable in cryptography, unified under the common frame of the proposed versatile architectures. / Η παρούσα διατριβή άπτεται του θέματος της ανάπτυξης ευέλικτων αρχιτεκτονικών κρυπτογραφίας σε ολοκληρωμένα κυκλώματα υψηλής ολοκλήρωσης (VLSI). Με τον όρο ευέλικτες ορίζονται οι αρχιτεκτονικές που δύνανται να υλοποιούν πλήθος βασικών αριθμητικών πράξεων για την εκτέλεση κρυπτογραφικών αλγορίθμων, χωρίς την ανάγκη επαναπροσδιορισμού των εσωτερικών διατάξεων στο ολοκληρωμένο κύκλωμα. Η χρήση ευέλικτων αρχιτεκτονικών παρέχει πολλαπλά οφέλη στο χρήστη. Η ενσωμάτωση κρίσιμων πράξεων απαραίτητων στη κρυπτογραφία σε μια κοινή αρχιτεκτονική δίνει τη δυνατότητα στο χρήστη να εναλλάσσει το υποστηριζόμενο κρυπτογραφικό πρωτόκολλο, εισάγοντας έτσι χαρακτηριστικά ευελιξίας και πρακτικότητας, χωρίς επιπρόσθετη επιβάρυνση του συστήματος σε υλικό. Αξίζει να σημειωθεί πως οι εναλλαγές αυτές δεν απαιτούν τη παρέμβαση του χρήστη. Σημαντική είναι η συνεισφορά μιας ευέλικτης αρχιτεκτονικής και στο κόστος μιας εφαρμογής. Αναλογιζόμενοι ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα που μπορεί να υλοποιεί αυτόνομα όλες τις απαραίτητες πράξεις ενός αλγόριθμου χωρίς την εξάρτηση από εξωτερικά υποσυστήματα (π.χ. μετατροπείς εισόδου–εξόδου), είναι εύκολο να αντιληφθούμε πως το τελικό κόστος της εκάστοτε εφαρμογής μειώνεται σημαντικά καθώς μειώνονται οι ανάγκες υλοποίησης και διασύνδεσης επιπρόσθετων υποσυστημάτων στο ολοκληρωμένο κύκλωμα. Η ανάπτυξη των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών ακολουθεί μια δομημένη προσέγγιση. Διενεργείται εκτενής μελέτη για τον προσδιορισμό γόνιμων ερευνητικών περιοχών και εντοπίζονται προβλήματα και δυνατότητες βελτιστοποίησης υπαρχουσών κρυπτογραφικών λύσεων. Οι νέοι αλγόριθμοι που αναπτύσσονται αφορούν τα Galois πεδία GF(p) και GF(2^n) και χρησιμοποιούν εναλλακτικές αριθμητικές αναπαράστασης δεδομένων όπως το αριθμητικό σύστημα υπολοίπων (Residue Number System (RNS)) για ακέραιους αριθμούς και το πολυωνυμικό αριθμητικό σύστημα υπολοίπων (Polynomial Residue Number System (PRNS)) για πολυώνυμα. Αποδεικνύεται η μαθηματική τους ορθότητα και βελτιστοποιούνται κατά τέτοιο τρόπο ώστε να σχηματίζουν ευέλικτες δομές. Αναπτύσσεται το κατάλληλο υλικό (hardware) και διενεργείται μελέτη χρήσιμων ιδιοτήτων των νέων αλγορίθμων, όπως για παράδειγμα νέες κρυπταναλυτικές ιδιότητες. Επιπρόσθετα, προσεγγίζουμε στα πλαίσια της διατριβής ένα βασικό πρόβλημα της επιστήμης σχεδιασμού ολοκληρωμένων συστημάτων μεγάλης κλίμακας (Very Large Scale Integration (VLSI)). Συγκεκριμένα, προτείνονται μέθοδοι σύγκρισης αρχιτεκτονικών ανεξαρτήτως τεχνολογίας καθώς και τρόποι εύρεσης των βέλτιστων συνθηκών λειτουργίας των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών. Οι μέθοδοι αυτές επιτρέπουν στον σχεδιαστή να παραμετροποιήσει τις προτεινόμενες αρχιτεκτονικές με βάση τη ταχύτητα, επιφάνεια, ή το γινόμενο ταχύτητα x επιφάνεια. Οι προτεινόμενες μεθοδολογίες μπορούν εύκολα να επεκταθούν και σε άλλες εφαρμογές πέραν της κρυπτογραφίας. Τέλος, προτείνονται νέοι αλγόριθμοι για τη σημαντικότατη για την κρυπτογραφία πράξη του πολλαπλασιασμού με υπόλοιπα. Οι νέοι αλγόριθμοι ενσωματώνουν από τη μία τις ιδέες των ευέλικτων δομών, από την άλλη όμως βασίζονται σε νέες ιδέες και μαθηματικά προβλήματα τα οποία προσπαθούμε να προσεγγίσουμε και να επιλύσουμε. Αποδεικνύεται πως είναι δυνατή η ενοποίηση μιας μεγάλης οικογένειας αλγορίθμων για χρήση στην κρυπτογραφία, υπό τη στέγη των προτεινόμενων μεθοδολογιών για ευέλικτο σχεδιασμό.

Τις τελευταίες δεκαετίες η ασφάλεια υπολογιστών και δικτύων έχει τραβήξει το ενδιαφέρον τόσο των ερευνητών όσο και της βιομηχανίας. Το ενδιαφέρον αυτό συνεχίζει να αυξάνεται με εκθετικό ρυθμό τα τελευταία χρόνια λόγω των συνεχώς αυξανόμενων επιθέσεων, της συνεχούς μεγέθυνσης των εταιρικών και κυβερνητικών δικτύων καθώς και την ολοένα αυξανόμενη χρήση και αξιοποίηση των υπολογιστικών συστημάτων σε κάθε πτυχή της ανθρώπινης δραστηριότητας. Στο πολύ ενεργό αυτό πεδίο, προκύπτουν συνέχεια νέα προβλήματα και παρουσιάζονται συνεχώς νέες ιδέες για την επίλυσή τους. Μία από τις πιο υποσχόμενες είναι η σουίτα IPsec, η οποία προστατεύει την κίνηση των δικτύων στο επίπεδο IP της στοίβας πρωτοκόλλων του Internet, TCP/IP. Η εφαρμογή του έχει ήδη ξεκινήσει τα τελευταία χρόνια, σε μικρή κλίμακα, αλλά με την μετάβαση που προβλέπεται να γίνει από το IPv4 στο IPv6, η υλοποίηση του IPsec θα είναι υποχρεωτικό να υπάρχει σε κάθε δικτυακό σύστημα με την προοπτική της ενδυνάμωσης της ασφάλειας στο Internet. Ακόμα, η ανάπτυξη υπολογιστικών συστημάτων ειδικών εφαρμογών έχει καταφύγει τα τελευταία χρόνια στην μορφή των ενσωματωμένων συστημάτων (embedded systems). Για την σχεδίαση και πιστοποίηση της ορθής λειτουργίας αυτών των συστημάτων είναι σύνηθες να χρησιμοποιούνται FPGA (Field Programmable Gated Array) chip ενώ η τελική μορφή του συστήματος είναι συνήθως υλοποιημένη σε ASIC (Application Specific Integrated Circuit) διότι δίνει τα πλεονεκτήματα μεγαλύτερης ταχύτητας και μικρότερης κατανάλωσης ενέργειας σε σχέση με τα FPGA. Στην παρούσα διπλωματική εργασία σχεδιάστηκε το πρωτόκολλο IPsec ως ένα ενσωματωμένο σύστημα υλικού-λογισμικού και υλοποιήθηκε στην πλατφόρμα FPGA Virtex 5 της εταιρείας Xilinx. Το ενσωματωμένο σύστημα εμπεριέχει έναν επεξεργαστή Microblaze και επιταγχυντές υλικού (hardware accelerators). Η υλοποίηση έγινε με αποδοτική συσχεδίαση υλικού και λογισμικού ώστε να γίνεται αξιοποίηση των πλεονεκτημάτων και των δύο. Συγκεκριμένα, σε υλικό σχεδιάστηκαν οι, απαιτητικοί σε χρόνο, κρυπτογραφικοί πυρήνες του συστήματος, CBC-AES-128 και HMAC-SHA1-96, ενώ το υπόλοιπο τμήμα του IPsec σχεδιάστηκε σε λογισμικό. Για την σχεδίαση και υλοποίηση του ακολουθήθηκαν οι προδιαγραφές που δίνονται στα αντίστοιχα Data-Sheets και RFCs (Request For Comments) και έγινε προσπάθεια να υλοποιηθεί όσο το δυνατόν μεγαλύτερο μέρος αυτών και με όση το δυνατόν ακρίβεια. Τέλος, έγινε on-chip πιστοποίηση ορθής λειτουργίας του συστήματος στην αναπτυξιακή πλακέτα ML507 (Virtex-5) με σύνδεση της σε ένα δίκτυο υπολογιστών και κρυπτογράφηση/αποκρυπτογράφηση πραγματικών πακέτων δεδομένων. / Computer and network security have been of great interest within the research and the industrial community for the last decades. This interest still grows exponentially due to continually growing attacks in number and scale, the growth of corporative and government networks and the increasing use and trust of computer systems in every aspect of life. Many new problems and many new ideas and solutions have occurred in this active field. One of the most promising is the IPsec protocol suite, which protects network traffic in the IP level of the internet protocol stack, TCP/IP. Its usage begun a few years ago, in small scale, but with the foreseeing transition from IPv4 to IPv6, it will be mandatory for every networking system to have an IPsec implementation, with the perspective of strengthening Internet security. Moreover, development of application specific systems turned to embedded system solutions. For the development and verification process of embedded systems, it’s usual the usage of FPGA (Field Programmable Gate Array) chips, while the final form of the system is, in most cases, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) system because of the advantages in speed and low power consumption. The current diploma thesis deals with the design and implementation of IPsec protocol suite in the form of a hardware-software embedded system, using the Virtex 5 FPGA platform, product of the company Xilinx. It uses a Microblaze processor and hardware accelerators. The system is designed with hardware/software co-design, utilizing efficiently their advantages. Specifically, the most time consuming cryptographic components, CBC-AES-128 and HMAC-SHA1-96, are implemented in hardware, while the rest of the IPsec is implemented in software. The implementation followed the corresponding Data-Sheets and RFC (Request For Comments) specifications as much as possible in the manner of features and implementation accuracy. Finally, the system was interconnected as part of a computer network and was verified with processing of real packets.

Τα Αποτυπώματα αποτελούν μια κομψή και αποτελεσματική λύση στο Πρόβλημα της Ισότητας στην Πολυπλοκότητα Επικοινωνίας. Τα Κβαντικά τους αντίστοιχα είναι ένα παράδειγμα της εκθετικής μείωσης στο κόστος επικοινωνίας που είναι εφικτή όταν χρησιμοποιείται κβαντική αντί για κλασσική πληροφορία. Το πλεονέκτημα αυτό οδήγησε σε αρκετά χρόνια έρευνας με ενδιαφέροντα αποτελέσματα. Επιπλέον, πρόσφατες δημοσιεύσεις υποδεικνύουν αποδοτικούς τρόπους για πειραματική υλοποίηση των Κβαντικών Αποτυπωμάτων. Τέλος, τα Κβαντικά Αποτυπώματα αποδεικνύονται ισχυρά εργαλεία στο χώρο της Κβαντικής Κρυπτογραφίας, επειδή διαθέτουν δυνατότητα αξιόπιστης απόκρυψης πληροφορίας. Σε αυτήν την εργασία εξετάζουμε τα Κβαντικά Αποτυπώματα στο πλαίσιο της Κβαντικής Κρυπτογραφίας και διερευνούμε τη χρήση τους για την κατασκευή πειραματικώς υλοποιήσιμων Κβαντικών Χρημάτων. / Fingerprints provide an elegant and cost-e ective solution to the Equality Problem in communication complexity. Their quantum counterpart is one example where an exponential gap exists between classical and quantum communication cost. Moreover, recent publications have proposed e cient ways to construct and work with quantum ngerprints in practice. Apart from the savings in communication cost, quantum ngerprints have an additional, inherent feature, namely the ability to hide information, which renders them a perfect candidate for Quantum Cryptography. This thesis reviews quantum ngerprints both as a communication complexity asset as well as a crypto-primitive and investigates the use of Quantum Fingerprinting to implement experimentally feasible Quantum Money schemes. We propose a public-key Quantum Money scheme comprising Quantum Fingerprints as well as an experimental implementation of it, feasible with current technology.

Η εργασία αυτή έχει σα σκοπό τη διερεύνηση των εφαρμογών της κρυπτογραφίας στην ασφάλεια της διαδικασίας της αξιολόγησης σε περιβάλλοντα όπου γίνεται χρήση τεχνολογιών επικοινωνίας και πληροφορικής, κατασκευάζοντας μια κατηγορία πρωτοκόλλων που καλείται e-αξιολόγηση. Πιό συγκεκριμένα, ξεκινώντας από την όσο το δυνατόν πλήρη περιγραφή ενός συστήματος e-αξιολόγησης τόσο σε επίπεδο hardware όσο και σε επίπεδο software, σκοπός μας είναι να εισάγουμε κατάλληλες κρυπτογραφικές τεχνικές έτσι ώστε να καλύπτουμε τις απαιτήσεις ασφαλείας της διαδικασίας της e-αξιολόγησης και να δώσουμε παραδείγματα αντίστοιχων εφαρμογών όπου είναι γίνεται χρήση της ηλεκτρονικής αξιολόγησης. Στο πρώτο μέρος της εργασίας διερευνούμε τον τρόπο με τον οποίο ενσωματώνεται η έννοια της ασφάλειας στη διαδικασία της αξιολόγησης, τους λόγους για τους οποίους υπάρχει ανάγκη για ενσωμάτωση τεχνικών ασφαλείας στην αξιολόγηση και τα οφέλη που αποκομίζουμε από αυτές καθώς και μία γρήγορη παρουσίαση του συνόλου των τεχνικών που χρησιμοποιούνται. Στη συνέχεια του κεφαλαίου αυτού, παρουσιάζουμε που και πως ενσωματώνονται εφαρμογές κρυπτογραφίας στο σύνολο των τεχνικών ασφαλείας που χρησιμοποιούνται στη διαδικασία αξιολόγησης. Στο δεύτερο μέρος κάνουμε μια παρουσίαση των κρυπτογραφικών πρωτοκόλλων και τεχνικών που έχουν εφαρμογή στην e-αξιολόγηση, καθώς και μια παρουσίαση του μαθηματικού τους υπόβαθρου. Στο τρίτο μέρος κάνουμε μια παρουσίαση των εφαρμογών της ηλεκτρονικής αξιολόγησης στην εκπαίδευση. / The goal of this work is to research the application of cryptography in the security of the process of evaluation in on-line environments, creating a framework of protocols which is collectively called e-evaluation. More specifically, we begin by providing a description of an e-evaluation system in both the hardware and the software level and introducing suitable cryptographic techniques so as to satisfy the security requirements of the e-evaluation process, giving examples of applications where there is use of electronic evaluation procedures. In the first part of this work we research the way the concept of security is integrated within the process of evaluation, the reasons for which there is need for integrating security techniques in that process and the benefits we gain by them. Then we provide a short description of techniques being use in the electronic evaluation process as well as where and how cryptography is applied in them. In the second part, we provide a description of the cryptographic techniques and protocols that have applications in the e-evaluation framework and their mathematical background. In the third and final part, we make a presentation of the applications of e-evaluation in education.

Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός και η υλοποίηση σε υλικό κρυπτογραφικών μηχανισμών με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε να αποκτήσουν ιδιότητες αυτό-ελέγχου χρησιμοποιώντας μηχανισμούς ανίχνευσης σφαλμάτων. Για το σκοπό αυτό θα προσπαθήσουμε να επιλέξουμε μέσα από γνωστούς μηχανισμούς ανίχνευσης λαθών που είναι διαθέσιμοι στη βιβλιογραφία, αυτούς που θα μας βοηθήσουν να εισάγουμε στο σύστημά μας τις επιθυμητές ιδιότητες αυτό-ελέγχου λαμβάνοντας παράλληλα φροντίδα για την διατήρηση των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών του. Λόγω της κρισιμότητας που έχει η διαδικασία κρυπτογράφησης είναι πολύ σημαντικό να πραγματοποιείται χωρίς σφάλματα. Πιθανά σφάλματα θα μπορούσε να τα εκμεταλλευτεί κάποιος εισβολέας ώστε να διαβάσει το περιεχόμενο του μηνύματος κατά τη διάρκεια μιας μετάδοσης ή θα μπορούσαν να προκαλέσουν λάθη στο ίδιο το μήνυμα και την hash value που του αντιστοιχεί. Για αυτούς τους λόγους θα προσπαθήσουμε να εισάγουμε στην υλοποίηση του αλγόριθμου κρυπτογράφησης μηχανισμούς ανίχνευσης σφαλμάτων ώστε να διασφαλιστεί η απροβλημάτιστη λειτουργία του. Παράλληλα λόγω των ιδιαίτερων απαιτήσεων που υπάρχουν για ένα σύστημα κρυπτογράφησης που έχουν να κάνουν με ταχύτητα επεξεργασίας και την όσο το δυνατόν μικρότερη επιφάνεια ολοκλήρωσης θα λάβουμε ιδιαίτερη φροντίδα ώστε το σύστημα μας να διατηρήσει αυτά τα επιθυμητά χαρακτηριστικά. / The purpose of this thesis is the design and implementation in hardware of cryptographic mechanisms in order to gain self-checking properties using error detection techniques. In order to do so we will try to pick through known error detection mechanisms, those who will help us apply the desired self-checking characteristics to our system while taking care to maintain its characteristics. It is critical for the encryption process to be error-free. Possible errors could be exploited by an attacker to read the contents of the message during a broadcast or could cause errors in the message itself and the hash value that corresponds. For these reasons, we try to apply error detection mechanisms to the hardware implementation of the hash algorithms in order to ensure trouble free operation. At the same time, due to the special requirements of an encryption system about high processing speed and the smallest integration area possible we will take care so as our system to maintain these desired characteristics.