Σε αυτή τη μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία μελετήθηκαν, αναπτύχτηκαν και συγκριθήκαν αρχιτεκτονικές για κρυπτογραφικές εφαρμογές που χρησιμοποιούνται στης τεχνικές πιστοποίησης μηνυμάτων. Σε αυτές χρησιμοποιήθηκαν και τεχνικές βελτιστοποίησης της απόδοσης. Στην ασφάλεια μετάδοσης των πληροφοριών, η πιστοποίηση μηνύματος είναι μία θεμελιώδης τεχνική, η οποία χρησιμοποιείται για να επιβεβαιώσει ότι τα ληφθέντα μηνύματα προέρχονται από τον σωστό αποστολέα και ότι δεν έχουν τροποποιηθεί κατά τη μετάδοση. Στην πιστοποίηση μηνύματος, απαιτείται η χρήση ενός κώδικα πιστοποίησης μηνύματος (Message Authentication Code-MAC). Οι τεχνικές για να δημιουργηθεί ένα MAC γίνεται με δύο τρόπους: α)Με χρήση μίας hash συνάρτησης σε συνδυασμό με ένα μυστικό κλειδί και αναφέρεται σαν HMAC (Hash-based MAC). β)Με χρήση ενός block cipher αλγορίθμου κρυπτογράφησης σε συνδυασμό με ένα μυστικό κλειδί και αναφέρεται σαν CMAC (Cipher block-based MAC). Θα υλοποιηθούν οι δύο παραπάνω τρόποι-μέθοδοι παραγωγής MAC, σε πλατφόρμες υλικού με γνώμονα την αύξηση της ρυθμαπόδοσης τους. Θα αποτιμηθεί ο ρόλος τους στα κρυπτογραφικά συστήματα ασφαλείας και σε ποιές περιπτώσεις συνίσταται η χρήση της κάθε μίας τεχνικής. Έτσι θα ξεκαθαριστούν οι διαφορές τους και θα καθοριστεί το προφίλ των εφαρμογών στης οποίες κάθε μια εκ των δύο αυτών τεχνικών ταιριάζει καλύτερα. Οι υλοποιήσεις συγκριθήκαν στην ίδια πλατφόρμα υλικού που χρησιμοποιήθηκε για την τελική υλοποίηση ώστε σε κάθε περίπτωση, ανάλογα με της απαιτήσεις της εκάστοτε εφαρμογής, να βρεθεί και η βέλτιστη λύση από πλευράς κόστους. / In the present M.Sc. thesis, several architectures for message authentication codes were studied, developed and compared to each other. Performance optimization techniques were exploited as well. Message Authentication Codes (MACs) are widely used in order to protect both a message's integrity -by ensuring that a different MAC will be produced if the message has changed - as well as its authenticity (only someone who knows the secret key could have generated a valid MAC). A message authentication code is an authentication tag (also called a checksum) derived by applying an authentication scheme, together with a secret key, to a message. Typically MACs are produced through: α) HMAC mechanism which is based on a FIPS approved collision-resistant hash function in combination with a secret key (Hash-based MAC). β)CMAC mechanism which is based on a block cipher algorithm in combination with a secret key (Cipher block-based MAC). The above two ways (mechanisms) for producing MACs were designed and implemented in hardware taking into consideration the increase of their throughput. The cryptographic systems in which the above two are exploited were described. Their key role in these systems was valued through an investigation concerning the way of their incorporation. Thus, the differences between them were clarified determining the applications where each one is better befitted. HMAC and CMAC designs are implemented in the same hardware FPGA platform and compared to each other in terms of operating frequency, area consumption and throughput. In this way, the best solution between them concerning their overall cost can be designated.

Η λέξη κρυπτογραφία προέρχεται από τα συνθετικά "κρυπτός" + "γράφω" και είναι ένας επιστημονικός κλάδος που ασχολείται με την μελέτη, την ανάπτυξη και την χρήση τεχνικών κρυπτογράφησης και αποκρυπτογράφησης με σκοπό την απόκρυψη του περιεχομένου των μηνυμάτων. Η κρυπτογραφία είναι ένας κλάδος της επιστήμης της κρυπτολογίας, η οποία ασχολείται με την μελέτη της ασφαλούς επικοινωνίας. Ο κύριος στόχος της είναι να παρέχει μηχανισμούς για 2 ή περισσότερα μέλη να επικοινωνήσουν χωρίς κάποιος άλλος να είναι ικανός να διαβάζει την πληροφορία εκτός από τα μέλη. Τα κρυπτογραφικά συστήματα που βασίζονται στις ελλειπτικές καμπύλες, αποτελούν ένα πολύ σημαντικό κομμάτι της κρυπτογραφίας δημόσιου κλειδιού και τα τελευταία χρόνια όλο και περισσότεροι επιστήμονες ασχολούνται με τη μελέτη τους. Το πλεονέκτημα των συστημάτων αυτών σε σχέση με τα συμβατικά κρυπτογραφικά συστήματα (π.χ. RSA) είναι ότι χρησιμοποιούν μικρότερες παραμέτρους και κλειδιά, προσφέροντας τα ίδια επίπεδα ασφάλειας. Για το λόγο αυτό, τα κρυπτογραφικά συστήματα ελλειπτικών καμπυλών προτιμούνται σε συσκευές περιορισμένων πόρων, όπως οι έξυπνες κάρτες (smart cards) και τα κινητά τηλέφωνα. Ένα από τα πιο θεμελιώδη προβλήματα στα κρυπτογραφικά συστήματα ελλειπτικών καμπυλών, είναι η γένεση ελλειπτικών καμπυλών, κατάλληλων να προσφέρουν την ασφάλεια που απαιτείται από τις κρυπτογραφικές εφαρμογές. Τέλος, η ρίψη μίας ηλεκτρονικής ψήφου μέσω του διαδικτύου πρέπει να συνοδεύεται από επαρκείς εγγυήσεις ασφάλειας ότι η ταυτότητα του ψηφοφόρου δε θα αποκαλυφθεί κατά τη διάρκεια της μεταφοράς και της επεξεργασίας της ψήφου, όπως επίσης και ότι το περιεχόμενό της δε θα μεταβληθεί, λόγω μη αποτελεσματικής λειτουργίας του συστήματος ή εξαιτίας εκλογικής λαθροχειρίας. / The word cryptography comes from the geek words “kryptos” (=hidden) and “grapho” (=write) and it is a scientific sector that deals with the study, the development and the use of techniques of coding and decoding in order to hide the content of a message. Cryptography is a part of the science of cryptology, which deals with the study of safe communication. Its main purpose is to provide tools and mechanisms to 2 or more members so as to communicate without interruptions from anyone else. The cryptographic systems, which are based upon elliptic curves, are a very essential part of public key cryptography and during the last years more and more scientists study them. The advantage of these systems compared to conventional cryptographic systems (e.g. RSA) is that they use less parameters and keys, offering the same safety levels. For this reason, the cryptographic elliptic curve systems are used in machines, such as smart cards and cell phones. One of the fundamental problems in such systems is the creation of elliptic curves which offer the safety that is required from the cryptographic applications. Finally, the cast of an electronic vote through the Internet must be accompanied by satisfying security guaranties that the voter's identity will not be revealed during the transfer and the process of his vote, as well as that the content of the vote will not be changed due to a non-effective functionality of the system or due to voting sleight.

Η αλματώδης ανάπτυξη του Παγκόσμιου Ιστού και των εφαρμογών του καθιστούν απαραίτητη τη συζήτηση για την ασφάλεια πληροφοριών στα πλαίσιά του. Στην εργασία αυτή παρουσιάζονται τα δομικά κομμάτια που υλοποιούν τον Παγκόσμιο Ιστό, η υποδομή του Διαδικτύου, το περιβάλλον του χρήστη και το περιβάλλον των εξυπηρετητών Ιστού (web browsers). Κάθε ένα από αυτά τα μέρη έχει τις δικές του ευπάθειες ασφάλειας και τις μεθόδους αντιμετώπισης κάθε μιας. Παρουσιάζονται οι κυριότερες απειλές ανά δομικό στοιχείο του Ιστού και κάποιες τεχνικές προφύλαξης από αυτές. Κυρίαρχο ρόλο στις τεχνικές αντιμετώπισης επιθέσεων στον Παγκόσμιο Ιστό παίζουν ο ορθός σχεδιασμός, η ενίσχυση της ασφάλειας των εμπλεκόμενων πρωτοκόλλων, οι τεχνικές κρυπτογράφισης αλλά και η προσωπική ευθύνη κάθε χρήστη του Ιστού. / Rapid growth of World Wide Web leads to a continuous discussion on maintaining information security through it. This essay presents the parts which implement World Wide Web, thus Internet structure, end user environment and web server environment. Each of these parts has different security vulnerabilities and measures of their mitigation. The most important security threats along with mitigation techniques are described. Almost all mitigation techniques come down to use of proper application design, cryptography and personal responsibility of every use and administrator.

Στην παρούσα διπλωματική υλοποιήθηκε η σχεδίαση και υλοποίηση ασφαλούς υπηρεσίας με χρήση ελλειπτικής κρυπτογραφίας. Τα κρυπτογραφικά συστήματα που βασίζονται στις ελλειπτικές καμπύλες αποτελούν ένα πολύ σημαντικό κομμάτι της κρυπτογραφίας δημόσιου κλειδιού και τα τελευταία χρόνια όλο και περισσότεροι επιστήμονες ασχολούνται με τη μελέτη τους. Το πλεονέκτημα των συστημάτων αυτών σε σχέση με τα συμβατικά κρυπτογραφικά συστήματα είναι ότι χρησιμοποιούν μικρότερες παραμέτρους και κλειδιά, προσφέροντας τα ίδια επίπεδα ασφάλειας. Σχετικά με το πρόβλημα της προστασίας ευαίσθητων δεδομένων σκληρού δίσκου ή άλλου αποθηκευτικού μέσου διευθυνσιοδοτούμενου κατά τομείς (sector-adressed storage media), χρησιμοποιείται η τεχνική της κρυπτογράφησης δίσκου (disk encryption). Ορισμένα από τα υπεύθυνα για την υλοποίηση της κρυπτογράφησης λογισμικά (disk encryption software) χρησιμοποιούν την μέθοδο κρυπτογράφησης σε πραγματικό χρόνο (on-the-fly/real-time encryption). Ο όρος on-the-fly έγκειται στο γεγονός ότι τα αρχεία γίνονται προσβάσιμα αμέσως μόλις προσφερθεί το κλειδί κρυπτογράφησης (encryption key) όλο το διαμέρισμα (volume) «προσαρτάται» (mounted) σαν να ήταν ένας φυσικός δίσκος κάνοντας τα αρχεία να «φαίνονται» αποκρυπτογραφημένα. Στην πλαίσιο αυτό τοποθετείται ο σκοπός του ερευνητικού μέρους της παρούσας εργασίας, που εντοπίζεται το ερώτημα της προσαρμογής βιβλιοθηκών που υλοποιούν κρυπτογραφία ελλειπτικών καμπυλών σε λογισμικό ικανό να κρυπτογραφεί «on the fly» φακέλους αρχείων και κατ΄ επέκταση σκληρούς δίσκους / -

Πολλά πρότυπα ασφαλούς επικοινωνίας, όπως το secure shell (SSH), IP security (IPsec), καθώς και διάφορες μορφές κρυπτογράφησης e-mail δημιουργήθηκαν για να προστατεύουν τις πληροφορίες κατά τη μεταφορά, διασφαλίζοντας το κανάλι επικοινωνίας. Ωστόσο, γίνεται αντιληπτό ότι τα δεδομένα σε αποθήκευση (data at rest) είναι επίσης ευάλωτα σε επιθέσεις και πρέπει να προστατευτούν. Το πρότυπο IEEE P1619, το οποίο έχει προταθεί από το IEEE, προσδιορίζει τα βασικά στοιχεία μιας αρχιτεκτονικής, η οποία παρέχει ασφάλεια σε sector-level-random-access διαμοιραζόμενα μέσα αποθήκευσης, επιλέγοντας ως το καταλληλότερο mode λειτουργίας το Electronic codebook (ECB). Βασικό μειονέκτημα αυτού του τρόπου κρυπτογράφησης είναι ότι κατά το ECB mode το ίδιο plaintext παράγει πάντα (κρυπτογραφείται) το ίδιο ciphertext, δημιουργώντας την ανάγκη για συχνή αλλαγή στο συμμετρικό κλειδί. Μια τέτοια πρακτική όμως δεν θα αποδίδει λόγω του απαιτούμενου χρόνου για την επέκταση των νέων κλειδιών. Το πρόβλημα αυτό αντιμετωπίζει το IEEE P1619, κάνοντας χρήση της θέσης (location) των δεδομένων ως την επιθυμητή μεταβαλλόμενη τιμή κλειδιού, εφαρμόζοντας block-cipher αλγόριθμους κρυπτογράφησης. Το νέο αυτό πρότυπο έχει προσελκύσει την προσοχή εταιριών, ως μια καλή λύση για τις απαιτήσεις των καταναλωτών για υψηλό επίπεδο ασφάλειας των δεδομένων σε συσκευές αποθήκευσης. Πρόσφατες ερευνητικές εργασίες ερευνούν ή/και παρουσιάζουν διάφορες αρχιτεκτονικές για την υλοποίηση του προτύπου σε υλικό (hardware), με στόχο την υιοθέτησή τους σε μελλοντικά προϊόντα. Οι προτεινόμενες προσεγγίσεις στοχεύουν στην αξιοποίηση είτε πόρων του υπολογιστή (προσεγγίσεις λογισμικού) είτε ειδικού σκοπού υλικού, στοχεύοντας σε διαφορετικές απαιτήσεις, ανάλογων της εφαρμογής. Η εργασία αυτή επικεντρώνεται σε ένα Narrow-block Tweak-able σχήμα κρυπτογράφησης (XTS-AES) και διερευνά διάφορες αρχιτεκτονικές που προσφέρουν μια ποικιλία χαρακτηριστικών. Αυτή είναι η πρώτη προσπάθεια διερεύνησης αρχιτεκτονικών προσεγγίσεων (υφιστάμενων και προτεινόμενων), με σκοπό να αναδειχθεί η καταλληλότερη αρχιτεκτονική για μια ποικιλία εφαρμογών. Το βασικό χαρακτηριστικό των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών είναι η μεγιστοποίηση της αξιοποίησης των πόρων που υλοποιούν το IEEE P1619, ώστε να επιτευχθεί η υψηλότερη απόδοση, λαμβάνοντας υπόψη διάφορα κριτήρια σχεδιασμού, όπως είναι η υψηλή ταχύτητα, η μικρή επιφάνεια, το χαμηλό κόστος και η σχεδιαστική πολυπλοκότητα. / A standard for the protection of data in shared storage media has been proposed by IEEE, the IEEE P1619. It specifies the fundamental elements of an architecture that provides security in block-based shared storage media applying block-cipher encryption algorithms to blocks of data. The newly presented standard has attracted the attention of the market vendors, as a good solution to the demands of the consumers for higher security levels in storage devices. The manufacturers have already developed future platforms based on IEEE P1619. Recent research works introduced various approaches targeting their adoption in future products. The proposed approaches are aiming to exploit either computer resources (software approaches) or special purpose hardware. This work focuses on the Narrow-block Tweakable encryption scheme (XTS-AES transform) and explores various architectures offering a variety of characteristics to the final implementation. This is the first, to the authors knowledge, attempt to explore the various architecture approaches that have been proposed until now and additionally introduce new ones, with an aim to highlight the appropriate architecture for a variety of applications. The key feature of the proposed architectures is parallelism, with respect to data block processing. The target is to exploit in full the resources of the core(s) implementing the IEEE P1619 and achieve the highest performance, respecting various design criteria as low cost, and/or design complexity. Basic details regarding IEEE P1619 and its dominant unit (the XTS-AES transform) are offered, a summary of previous works is presented and several issues are considered for potential optimization of the system architecture. Novel architectures are introduced, exploring time-scheduling of the processes to be performed and the characteristics of the various architectures are analyzed and compared.

Στην παρούσα διατριβή αντιμετωπίζουμε το πρόβλημα της σχεδίασης ασφαλών δικτύων δεδομένων. Η προσέγγιση που ακολουθούμε είναι συνθετική (bottom up). Εκκινώντας από τα απλά δομικά στοιχεία της ασφάλειας, δηλαδή τους αλγόριθμους και πρωτόκολλα κρυπτογράφησης, δημιουργούμε όλο και πιο σύνθετες δομές ασφάλειας, ώστε να καταλήξουμε σε μία ολοκληρωμένη πρόταση αρχιτεκτονικής ασφάλειας για δίκτυα ενσωματωμένων συστημάτων. Αρχικά εξετάζονται θέματα υλοποίησης αλγορίθμων κρυπτογράφησης. Δίνεται έμφαση σε περιβάλλοντα περιορισμένων πόρων. Παρουσιάζουμε την CryptoPalm, μία βιβλιοθήκη κρυπτογραφίας που αναπτύξαμε για συστήματα βασισμένα στο λειτουργικό σύστημα PalmOS. Εξετάζουμε κατόπιν την ανθεκτικότητα του πρωτοκόλλου ταυτοποίησης Fiat-Shamir σε περιβάλλοντα όπου εισάγονται εσκεμμένα λάθη στους κρυπτογραφικούς υπολογισμούς. Στη συνέχεια εισάγεται η καινοτόμος προσέγγιση της χρήσης τυχαιότητας στην κρυπτογραφία και προτείνεται ένα νέο πρωτόκολλο ασφαλούς επικοινωνίας, το οποίο παρέχει τα επιθυμητά χαρακτηριστικά ασφάλειας με χαμηλό κόστος. Κάνουμε μία μελέτη περιπτώσεων (case study) για δημοφιλείς αρχιτεκτονικές δικτύων (Bluetooth και Internet) και παρουσιάζουμε ένα σύνολο πρωτότυπων επιθέσεων που αναπτύξαμε και προτείνουμε κατά περίπτωση μέτρα για την αντιμετώπιση αυτών των απειλών. Η διατριβή ολοκληρώνεται με την εισαγωγή μίας πρωτότυπης αρχιτεκτονικής για το σχεδιασμό ασφαλών δικτύων, η οποία είναι σε θέση να αντιμετωπίσει τα προβλήματα που παρουσιάζουν οι υπάρχουσες αρχιτεκτονικές. / In this thesis we address the problem of designing secure data networks. The approach is bottom-up. Starting from primitive building blocks of security e.g., algorithms and cryptographic protocols, we build more and more complex security building blocks, finally reaching in a complete security architecture for embedded systems networks. Initial focus is on implementation issues of cryptographic algorithms with emphasis on resource-limited environments. We present CryptoPalm, a cryptographic library we developed for systems based on PalmOS operating system. Then, we study the security of the Fiat-Shamir authentication protocol in environments where faults are deliberately injected during cryptographic computations. As a next step, we introduce the novel approach of using randomness in cryptography; we propose a new secure communication protocol based on randomness. This protocol achieves the desired security characteristics with low implementation cost. We present a case study of popular network security architectures (namely Bluetooth and Internet) and a set of original attacks we developed. We propose countermeasures for each fighting back these attacks. The thesis concludes by introducing a novel architecture for designing secure networks. The proposed architecture addresses the problems arising in current security architectures. Communication networks and especially the Internet are so widely accepted and used even from governments and large corporations that is becoming part of their critical infrastructure. Such a use introduces stringent security requirements that a network designer must fulfill. In contrast with pure telecommunication networks, data networks, and especially the Internet, are characterized by lack of a legal framework of operation. Under these circumstances, addressing network security is a rather hard problem. Proposed solutions are mainly based on cryptographic techniques. In this thesis we address the problem of designing secure data networks. The approach is bottom-up. Starting from primitive building blocks of security e.g., algorithms and cryptographic protocols, we build more and more complex security building blocks, finally reaching in a complete security architecture for embedded systems networks. Initial focus is on implementation issues of cryptographic algorithms with emphasis on resource-limited environments. We present CryptoPalm, a cryptographic library we developed for systems based on PalmOS operating system. Then, we study the security of the Fiat-Shamir authentication protocol in environments where faults are deliberately injected during cryptographic computations. As a next step, we introduce the novel approach of using randomness in cryptography; we propose a new secure communication protocol based on randomness. This protocol achieves the desired security characteristics with low implementation cost. We present a case study of popular network security architectures (namely Bluetooth and Internet) and a set of original attacks we developed. We propose countermeasures for each fighting back these attacks. The thesis concludes by introducing a novel architecture for designing secure networks. The proposed architecture addresses the problems arising in current security architectures.

Από τότε που ολοένα και περισσότερα εμπιστευτικά δεδομένα ανταλλάσσονται με ηλεκτρονικό τρόπο η ανάγκη για προστασία των δεδομένων αυτών γίνεται ολοένα και μεγαλύτερη. Στις πραγματικές εφαρμογές όπου χρησιμοποιούνται συστήματα κρυπτογραφίας παρατηρούνται νέες τεχνικές επίθεσης πέρα από αυτές που στηρίζονται στην μαθηματική ανάλυση. Εφαρμογές τόσο σε υλικό όσο και σε λογισμικό, παρουσιάζουν ένα αχανές πεδίο από επιθέσεις. Οι Side-Channel-Attacks εκμεταλλεύονται πληροφορίες που διαρρέουν από μια συσκευή κρυπτογράφησης. Μάλιστα από την μέρα που εμφανίστηκε μία συγκεκριμένη μέθοδος επίθεσης, προσελκύει ολοένα και μεγαλύτερο ενδιαφέρον. Πρόκειται για την Διαφορική Ανάλυση Ισχύος (Differential Power Analysis (DPA)) που πρωτοπαρουσιάστηκε από την Cryptography Research. Η DPA χρησιμοποιεί την πληροφορία που διαρρέει από μια συσκευή κρυπτογράφησης, και πρόκειται για την κατανάλωση ισχύος. Μία λιγότερο δυνατή παραλλαγή της DPA είναι η Simple Power Analysis (SPA), που παρουσιάστηκε επίσης από την Cryptography Research. Βασικός στόχος της DPA είναι να μετρηθεί με ακρίβεια η κατανάλωση ισχύος του συστήματος. Έπειτα απαιτείται η γνώση του αλγόριθμου που εκτελείται από την συσκευή, ενώ τέλος απαραίτητο είναι ένα σύνολο από γνωστά κρυπτογραφήματα ή αυθεντικά μηνύματα. Η στρατηγική της επίθεσης απαιτεί την μέτρηση πολλών δειγμάτων και στην συνέχεια την διαίρεσή τους σε δύο ή περισσότερα σύνολα με βάση ενός κανόνα . Εν συνεχεία στατιστικές μέθοδοι χρησιμοποιούνται για την επιβεβαίωση του κανόνα αυτού. Αν και μόνο αν ο κανόνας αυτός είναι σωστός τότε μπορούμε να παρατηρήσουμε αξιοπρόσεκτες τιμές στην στατιστική ανάλυση. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι να καθορίσουμε με περισσότερες λεπτομέρειες την DPA, να αναπτύξουμε ένα περιβάλλον που θα πραγματοποιεί την επίθεση αυτή, σε μια υλοποίηση του DES (Data Encryption Standard) αλγόριθμου κρυπτογράφησης με την χρήση FPGA Board και να γίνει πειραματική εκτίμηση. / -

Στη παρούσα διδακτορική διατριβή του κ. Χαράλαμπου Μιχαήλ με τίτλο «Βελτιστοποίηση Επαναπροσδιοριζόμενων Αρχιτεκτονικών για Απόδοση και Κατανάλωση Ενέργειας για Κρυπτογραφικές Εφαρμογές και Εφαρμογές Κυριαρχούμενες από Δεδομένα» προτείνονται, αναπτύσσονται και μελετώνται αποδοτικές τεχνικές βελτιστοποίησης της απόδοσης ή/και της κατανάλωσης ενέργειας για κρυπτογραφικές εφαρμογές καθώς και εφαρμογές κυριαρχούμενες από δεδομένα που υλοποιούνται σε ενσωματωμένες πλατφόρμες ειδικού σκοπού. Συνολικά, οι προτεινόμενες τεχνικές μελετήθηκαν για τις διάφορες παραμέτρους που έχουν και συνολικά οδήγησαν στην διαμόρφωση της προτεινόμενης γενικής μεθοδολογίας βελτιστοποίησης των κρυπτογραφικών και λοιπών εφαρμογών κυριαρχούμενων από δεδομένα. Τα θεωρούμενα συστήματα στοχεύουν σε αριθμητικά απαιτητικές εφαρμογές και προέκυψαν εντυπωσιακές βελτιστοποιήσεις ειδικά δε στην απόδοση συγκεκριμένων κρυπτογραφικών εφαρμογών όπως οι συναρτήσεις κατακερματισμού και ανάμειξης (hash functions) και κατά συνέπεια και των αντίστοιχων κρυπτογραφιών μηχανισμών στους οποίους αυτές χρησιμοποιούνται. Πρωταρχικός σχεδιαστικός στόχος είναι η αύξηση της ρυθμαπόδοσης σχεδιάζοντας κρυπτογραφικές εφαρμογές για διακομιστές υπηρεσιών ή γενικότερα εφαρμογές κυριαρχούμενες από δεδομένα. Λαμβάνοντας επίσης υπόψη το γεγονός ότι η κρυπτογραφία αποτελεί σήμερα –πιο πολύ παρά ποτέ- ένα αναγκαίο και αναντικατάστατο συστατικό της ανάπτυξης ηλεκτρονικών υπηρεσιών μέσω διαδικτύου και της εν τέλει μετάβασης της ανθρωπότητας στο νέο οικονομικό μοντέλο της «ηλεκτρονικής οικονομίας» είναι προφανής η σημασία της προτεινόμενης μεθοδολογίας και των αντίστοιχων σχεδιασμών που προκύπτουν. Η ολοκλήρωση των κρυπτογραφικών συστημάτων ασφαλείας σε υλικό είναι σχεδόν αναγκαία για τα ενσωματωμένα συστήματα κρυπτογράφησης. Τα πλεονεκτήματα που έχουμε είναι η υψηλή απόδοση, η μειωμένη κατανάλωση ισχύος με μειονέκτημα το κόστος της ολοκλήρωσης σε υλικό. Νέες τεχνολογίες όπως FPGAs (Field-Programmable Gate Array), επιτρέπουν την πιο εύκολη ολοκλήρωση του αλγορίθμου και την ανανέωση - αντικατάστασή του από νεώτερους-βελτιωμένους. Ήδη τα τελευταίας γενιάς FPGAs τείνουν να έχουν τις ιδιότητες των ASICs (Application-Specific Integrated Circuit) -μειωμένη κατανάλωση ισχύος, υψηλή απόδοση, και ρύθμιση της λειτουργικότητας ανάλογα την εφαρμογή. Ένα άλλο πλεονέκτημα των υλοποιήσεων σε υλικό είναι πως από την φύση τους είναι λιγότερο ευαίσθητο σε επιθέσεις κρυπτανάλυσης ενώ μπορούν ευκολότερα να ενσωματώσουν πολιτικές αντιμετώπισης κρυπταναλυτικών τεχνικών . Ερευνητική Συνεισφορά Ανάπτυξη και μελέτη τεχνικών βελτιστοποίησης που οδηγούν σε σχέδια με πολύ υψηλή ρυθμαπόδοση και περιορισμένο κόστος σε επιφάνεια ολοκλήρωσης για κρυπτογραφικές και υπολογιστικά απαιτητικές εφαρμογές Αναπτύσσονται και αναλύονται όλες οι επιμέρους τεχνικές που αξιολογήθηκαν κατά την εκπόνηση της εν λόγω διδακτορικής διατριβής και χρησιμοποιούνται για την βελτιστοποίηση των σχεδίων σε υλικό. Μελετώνται οι παράμετροι εφαρμογής ανάλογα με την υφή της κάθε τεχνικής και τα τιθέμενα σχεδιαστικά κριτήρια, τα οποία εξαρτώνται από τα επιθυμητά χαρακτηριστικά των σχεδίων σε υλικό καθώς και από τις εν γένει προδιαγραφές τους ανάλογα με τον εκάστοτε σχεδιαστικό στόχο. Ανάπτυξη και μελέτη «πάνω-προς-τα-κάτω» μεθοδολογίας βελτιστοποίησης των σχεδίων που οδηγούν σε πολύ υψηλή ρυθμαπόδοση και περιορισμένο κόστος σε επιφάνεια ολοκλήρωσης για κρυπτογραφικές και υπολογιστικά απαιτητικές εφαρμογές Αναπτύσσεται ολοκληρωμένη και δομημένη συνολική μεθοδολογία βελτιστοποίησης σχεδίων, με βάση τις επιμέρους τεχνικές που παρουσιάστηκαν και αναλύθηκαν, που οδηγεί σε γενική μεθοδολογία η οποία είναι εφαρμόσιμη σε όλες σχεδόν τις συναρτήσεις κατακερματισμού για τις οποίες καταφέρνει να παράγει σχέδια υψηλής απόδοσης με περιορισμένο κόστος σε επιφάνεια ολοκλήρωσης. Ταυτόχρονα, αναλύονται τα θεωρητικώς αναμενόμενα οφέλη από την κάθε επιμέρους τεχνική βελτιστοποίησης καθώς και από την συνολική εφαρμογή της μεθοδολογίας βελτιστοποίησης του σχεδιασμού σε υλικό ανάλογα με την επιλεχθείσα τιμή των παραμέτρων της κάθε εφαρμοζόμενης τεχνικής. Ανάπτυξη σχεδίων σε υλικό πολύ υψηλής βελτιστοποίησης για τις συναρτήσεις κατακερματισμού SHA-1 και SHA-256 Παρουσιάζεται η διαδικασία βελτιστοποίησης του σχεδιασμού σε υλικό των δυο πιο σημαντικών συναρτήσεων κατακερματισμού αναφέροντας σε κάθε περίπτωση τα επιμέρους κέρδη, καθώς και την συνολική βελτίωση που επιτεύχθηκε με την εφαρμογή της προτεινόμενης μεθοδολογίας. Οι δύο συναρτήσεις είναι οι SHA-1 (η πιο δημοφιλής συνάρτηση κατακερματισμού στις σημερινές εφαρμογές) και SHA-256 (που αναμένεται να χρησιμοποιηθεί ευρύτατα στο μέλλον παρέχοντας υψηλότερο επίπεδο ασφάλειας). Υλοποιήσεις σε συγκεκριμένες επαναπροσδιοριζόμενες αρχιτεκτονικές συγκρίνονται με αντίστοιχες που έχουν προταθεί ερευνητικά ή είναι εμπορικά διαθέσιμες, αποδεικνύωντας την υπεροχή των προτεινόμενων σχεδίων. Έτσι προκύπτουν σχέδια πολύ υψηλής ρυθμαπόδοσης (τουλάχιστον 160% βελτιωμένοι σε σχέση με συμβατικές υλοποιήσεις) με περιορισμένο κόστος σε επιφάνεια ολοκλήρωσης (λιγότερο από 10% σε επίπεδο συνολικού κρυπτογραφικού συστήματος στην χειρότερη περίπτωση σε σχέση με συμβατικές υλοποιήσεις), βελτιστοποιώντας τον σχεδιαστικό παράγοντα «απόδοση x επιφάνεια ολοκλήρωσης» σε σχέση με άλλες εμπορικές ή ακαδημαϊκές υλοποιήσεις. / In this Ph.D dissertation, certain design techniques and methodologies, for various hardware platforms, aiming to boost performance of cryptographic modules and data intensive applications are presented. This way we manage to obtain hardware designs with extremely high throughput performing much better that anyone else that has been previously proposed either by academia or industry. Taking in consideration the rapid evolution of e-commerce and the need to secure all kind of electronic transactions, it is obvious that there is a great need to achieve much higher throughputs for certain cryptographic primitives. Especially in IPv6, HMAC etc it is crucial to design hash functions that achieve the highest degree of throughput since hashing is the limiting factor in such security schemes. The proposed methodology achieves to tackle this problem achieving to offer design solutions for hashing cores that can increase their throughput up to 160%. The proposed methodology is generally applicable to all kind of hash functions and this is a main characteristic of its importance. The proposed techniques and methodologies go far beyond from just unrolling the rounds of the algorithm and/or using extended pipelining techniques. It offers an analysis on these techniques while at the same time proposes some new, which all together form a holistic methodology for designing high-throughput hardware implementations for hash functions or other data intensive applications. These designs that can achieve high throughput rates are appropriate for high-end applications that are not constrained in power consumption and chip covered area. The main contributions of this PhD thesis involve: Developing and study of certain optimizing techniques for increasing throughput in cryptographic primitives and data intensive applications Certain design techniques that can take part in a generic methodology for improving hardware performance characteristics are proposed and studied. This study has been conducted in terms of each technique’s parameters and certain design criteria are mentioned in order to choose their values. These design criteria depend on the intended hardware characteristics, specifications and available hardware resources for the cryptographic primitive or data intensive application. Developing and study of top-down methodology for increasing throughput in cryptographic primitives and data intensive applications Techniques that were previously proposed and analyzed are merged in order to form propose a top-down methodology able to boost performance of cryptographic primitives and data intensive applications. Design parameters are studied in order to propose various design options with the default one being achieving the highest degree of throughput maintaining the best throughput/area ratio. The proposed methodology can significantly increase throughput of hardware designs leading theoretically even to 160% increase of throughput with less than 10% cost in integration area for the whole cryptographic system. Highly optimized hardware designs for the two main hash functions: SHA-1 and SHA-256 with high-throughput properties. In this contribution high throughput designs and implementations are proposed concerning the two most widely used hash functions SHA-1 and SHA-256. SHA-1 is currently the most widely deployed hashing function whereas SHA-256 has started to phase out SHA-1 due to security issues that have recently been reported. These two designs also serve as case studies for the application of the proposed methodology aiming to increase throughput in cryptographic modules and data intensive applications. Our implementation does not only increases throughput by a large degree, but it also utilizes limited area resources thus offering an advantageous "throughput x area" product in comparison with other hashing cores implementations, proposed either by academia or industry. The proposed design achieves maximum throughput over 4.7 Gbps for SHA-1 and over 4.4 Gbps for SHA-256 in Xilinx Virtex II platform with minor area penalty comparing to conventional implementations. These synthesis results are only slightly decreased after the place-and-route procedure

Η διαδικασία γένεσης αριθμών για τον σχεδιασμό και την υλοποίηση ηλεκτρονικών λοταριών απαιτεί μια διαδικασία παραγωγής αριθμών που δεν μπορούν να προβλεφθούν. Επιπλέον ένα τέτοιο σύστημα θα πρέπει να υποστηρίζεται από ένα ασφαλές σύστημα που να αποτρέπει τα διάφορα είδη κακόβουλων επιθέσεων κατά την διάρκεια της διαδικασίας γένεσης των αριθμών. Το πρωτόκολλο που περιγράφουμε έχει εφαρμοστεί στην πράξη σε διεθνούς επιπέδου ηλεκτρονικά περιβάλλοντα λοταριών που απαιτούν συχνές κληρώσεις ανά ημέρα σε ακριβείς χρόνους. Ταυτόχρονα, χρησιμοποιώντας μεθοδολογίες που εφαρμόζονται στην ανάπτυξη πληροφοριακών συστημάτων, καθορίσαμε συγκεκριμένα επίπεδα ασφάλειας πάνω στα οποία μπορεί να αναπτυχθεί ένα τέτοιο κρίσιμο σύστημα ασφάλειας. Πιστεύουμε πως αυτή η προσπάθεια να ορίσουμε τα επίπεδα ασφάλειας μπορεί να βοηθήσει στο σχεδιασμό παρόμοιων κρίσιμων ασφαλών συστημάτων. Καταρχήν εστιάσαμε στη διαδικασία παραγωγής αριθμών όπου το πρωτόκολλο ενσωματώνει διάφορα αλληλεπιδραστικά κρυπτογραφικά αρχέτυπα που εξασφαλίζουν την αξιοπιστία της διαδικασίας. Κάθε στοιχείο της παραγωγής συνδυάζει ταυτόχρονα διαφορετικές και ανεξάρτητες πηγές για να ενισχήσει την κρυπτογραφική ασφάλεια. Επιπλέον, εστιάσαμε στην παροχή προστασίας ενάντια σε οποιαδήποτε παρεμβολή και αλληλεπίδραση με τη διαδικασία παραγωγής των αριθμών, εξασφαλίζοντας το απαραίτητο επίπεδο ασφάλειας. Με αυτόν τον τρόπο παρέχεται προστασία από τεράστιες οικονομικές απώλειες του οργανισμού κλήρωσης σε περίπτωση που κάποιος κατορθώσει να παρεμποδίσει ή να μάθει πρόωρα τις διαδικασίες της κλήρωσης. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιήσαμε πρωτόκολλα δέσμευσης δυαδικού ψηφίου, ειδικές υπογραφές και κρυπτογραφήσεις για την προστασία κομματιών πληροφορίας. Ταυτόχρονα οι παραγόμενοι αριθμοί συνδυάζονται με κομμάτια πληροφορίας για να δεσμευθούν με μοναδικό τρόπο. Με τη διαδικασία της δέσμευσης οποιαδήποτε αλλαγή ή παρεμβολή στους παραγόμενους αριθμούς μπορεί να εντοπιστεί πολύ εύκολα μέσα από μια λειτουργία ελέγχου. Για την προστασία από παρεμβολές οι οποίες μπορούν να λάβουν χώρα πριν, κατά την διάρκεια, ή μετά τη διαδικασία κλήρωσης χρησιμοποιήσαμε μια διαδικασία που την καλούμε \\emph{επισφράγιση της κατάστασης του συστήματος}. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας κάθε βασική κατάσταση του συστήματος κλήρωσης δεσμεύεται καθώς συνδυάζεται με μοναδικό τρόπο η κατάσταση του συστήματος με την αντίστοιχη κρίσιμη πληροφορία που χρησιμοποιείται σε αυτό το στάδιο. Στη συνέχεια σχεδιάσαμε εκτενείς εγκαταστάσεις ελέγχου σε πραγματικό χρόνο και με ικανότητα επαλήθευσης. Αναπτύξαμε μερικές ανεξάρτητες διαδικασίες που καταγράφουν και ελέγχουν άλλα κρίσιμα συστατικά όσο το δυνατόν περισσότερο, έτσι ώστε οι ενέργειες να μπορούν να ελεγχθούν μετά από την πραγματοποίησή τους μέσω εγγραφών, υπογραφών, κλπ. Ταυτόχρονα, λάβαμε υπόψη τις απαιτήσεις απόδοσης (χρονικοί περιορισμοί). Κρίναμε απαραίτητη την ενσωμάτωση μηχανισμών ασφάλειας, δεδομένου ότι το σύστημα κρυπτογραφίας από μόνο του ποτέ δεν είναι μια πλήρης λύση ασφάλειας. Για το λόγο αυτό απομονώσαμε τμήματα του δικτύου και σχεδιάσαμε ανεξάρτητες ενέργειες και καταχωρήσεις. Λάβαμε υπόψη επίσης τη φυσική και λειτουργική ασφάλεια του συστήματος. Δεδομένου ότι οι καθυστερήσεις ή οι ακυρώσεις των κληρώσεων μπορεί να βλάψουν τη φήμη της οργάνωσης κληρώσεων, αναπτύξαμε την πρόβλεψη για την επανάληψη της κλήρωσης (ανοχή ελαττωμάτων) σε όλα τα επίπεδα του συστήματος (υλικό και λογισμικό) προκειμένου να αυξηθεί η αξιοπιστία. Επιπρόσθετα, εξασφαλίσαμε την προσαρμοστικότητα του πρωτοκόλλου, επιτρέποντάς του να εφαρμοστεί σε πολλαπλές διαφορετικές διαδικασίες, να είναι δηλαδή π.χ. τμήμα των λοταριών του διαδικτύου και ταυτόχρονα να διαχειρίζεται πολλά αλληλεπιδρόμενα συμβαλλόμενα μέρη όπως οι τράπεζες, η οργάνωση λοταριών, η πώληση δελτίων, κλπ. Τέλος, για το διαρκή έλεγχο της λειτουργίας του συστήματος, αναπτύξαμε στατιστικούς ελέγχους στα δεδομένα εξόδου. Η πιστοποίηση ότι, εφαρμόζοντας στατιστικές μεθόδους, κάποιος δεν είναι σε θέση να προβλέψει την επόμενη έξοδο αποτελεί βασικό χαρακτηριστικό της μη προβλεψιμότητας της εξόδου. Επιπλέον, με βάση τα αποτελέσματά των στατιστικών ελέγχων, αξιολογήσαμε τις διαφορετικές ψευδοτυχαίες γεννήτριες που χρησιμοποιήθηκαν. / We describe the design and implementation of secure and robust protocol and system for a national electronic lottery. Electronic lotteries at a national level, are a viable cost effective alternative to mechanical ones when there is a business need to support many types of ``games of chance\

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής με τίτλο “Σχεδιασμός Κρυπτογραφικών Συστημάτων με Υλικό Ειδικού Σκοπού” είναι ο σχεδιασμός κρυπτογραφικών μηχανισμών για την ενσωμάτωσή τους σε συστήματα περιορισμένων πόρων (κόστος υλικού, καταναλισκόμενη ισχύς, ενέργεια). Πρωταρχικοί στόχοι είναι η περιορισμένη κατανάλωση ισχύος και η ελαχιστοποίηση του κόστους υλικού ενώ ο ρυθμός απόδοσης σε αυτά τα συστήματα αποτελεί δεύτερο στόχο. Σύγχρονα συστήματα όπως έξυπνες κάρτες και RFID ετικέτες δεν έχουν την απαιτούμενη επιφάνεια για να ολοκληρώσουν-ενσωματώσουν μεγάλα συστήματα κρυπτογραφίας άλλα ούτε τους απαραίτητους πόρους σε ενέργεια. Οι κρυπτογραφικές πράξεις είναι από τη φύση τους δύσκολο να αναλυθούν, να απλοποιηθούν και να υλοποιηθούν. Παρόλα αυτά η διδακτορική διατριβή έδειξε ότι μπορεί να εφαρμοστούν σε αυτές τεχνικές χαμηλής κατανάλωσης ισχύος. Αν σε ένα κρυπτογραφικό σύστημα, οι μη αποδοτικές πράξεις από πλευράς κατανάλωσης ισχύος του συνολικού συστήματος μπορεί να αποκτήσουν χαρακτηριστικά χαμηλής κατανάλωσης ισχύος, τότε μειώνεται αισθητά η μέση κατανάλωση ισχύος. Στην προσπάθεια μείωσης της μέσης κατανάλωσης ισχύος των αλγορίθμων είναι ο εντοπισμός των λιγότερο αποδοτικών πράξεων των κρυπτογραφικών συστημάτων και η μελέτη-ανάλυση με σκοπό τη μείωση της κατανάλωσης ισχύος. Επειδή είναι προφανές πως η μεθοδολογία αυτή προορίζεται για συστήματα χαμηλών πόρων πρέπει και το αντίστοιχο κόστος σε υλικό να είναι περιορισμένο. / The evolution of mobile-wireless computing systems have triggered the development of new cryptographic needs. Therefore, existing and new cryptographic algorithm architectures have to be designed in order to satisfy the mobile wireless system specifications. Wireless mobile standards limit a wireless system's throughput to less than a hundred Mbps. This is a quite satisfactory limit and it is capable to support real-time applications as voice, video and online streaming. Additionally, the nature of mobile systems highlights the needs for strict power and area constrains. However, many cryptographic designs focus on achieving high-throughput by unrolling the rounds of the algorithm and using extended pipelining techniques. These designs that can achieve high throughput rates, are appropriate for high-end applications that are not constrained in power consumption and chip covered area. Therefore, it is impossible to integrate these modules in mobile systems. The main contributions of this phd thesis involve: A Lightweight secure mechanism which presents a top-down design methodology. There are three contributions in the domain of optimized cryptographic operations: a) Versatile multiplier for GF(28) Finite Fields, b) Optimized SubBytes transformation in terms of power and area, c) Optimized MixColumns transformation in terms of power and area. Finally an 8-bit Advanced Encryption Standard Design with low power-low area properties is proposed.