- / -

H τεράστια ανάπτυξη του διαδικτύου οδηγεί καθημερινά στην μετατροπή των δεδομένων του φυσικού κόσμου σε ψηφιακή - ηλεκτρονική μορφή. Καθώς σχεδόν οποιαδήποτε υπηρεσία ή οργανισμός, ιδρύματα, εταιρείες και ιδιώτες χρησιμοποιούν υπολογιστές με πρόσβαση στο διαδίκτυο τις περισσότερες φορές για την διαχείριση των δεδομένων τους, η αξία της πληροφορίας που συγκεντρώνεται στο διαδίκτυο αποκτά τεράστιες διαστάσεις και γίνεται ένα θέμα που ολοένα και περισσότερο συζητιέται. Σε πολλές περιπτώσεις μάλιστα, ολόκληρη η πληροφορία είναι αποθηκευμένη σε ψηφιακά μέσα, χωρίς να υπάρχει σε έντυπη ή αναλογική μορφή. Ο πληθυσμός του Internet αν και έχει ακουστά πολλές περιπτώσεις παραβίασης της ασφάλειας συστημάτων και κλοπής δεδομένων, δεν έχει δεχτεί μια ολοκληρωμένη εκπαίδευση σε θέματα που αφορούν την δικτυακή ασφάλεια. Οι περισσότεροι χρήστες βρίσκονται σε σύγχυση όσον αφορά την ασφάλεια των δεδομένων τους, μην γνωρίζοντας τους κινδύνους και τις απειλές που αντιμετωπίζουν, ενώ οι εταιρείες παροχής υπηρεσιών -είτε πρόκειται για email, είτε για υποβολή φορολογικών δηλώσεων και web banking- εθίζουν τους χρήστες σε πρακτικές χαμηλής ασφάλειας και παρέχουν μια αίσθηση ότι ασχολούνται αποτελεσματικά με την ασφάλεια των δεδομένων τους. Στην διπλωματική αυτή εργασία προσπαθήσαμε να κατανοήσουμε τα προβλήματα ασφαλείας που υπάρχουν και τις επιπτώσεις τους. Λαμβάνουμε υπόψη θέματα ασφαλείας που σχετίζονται με το TCP/IP και περιγράφουμε το μοντέλο OSI. Αναλύουμε την εξέλιξη των επιθέσεων και τα τρωτά σημεία που εκμεταλλεύονται συνήθως οι εισβολείς. Περιγράφουμε την μεθοδολογία με την οποία δρα ένας εισβολέας καθώς και εργαλεία που χρησιμοποιεί. Στην συνέχεια επικεντρωνόμαστε στις δυνατότητες που έχουν οι διαχειριστές συστημάτων για την προστασία των σταθμών εργασίας, των εξυπηρετητών και στην προστασία του δικτύου στο σύνολό του. Δώσαμε έμφαση στην διαδικασία παραβίασης ενός εξυπηρετητή του διαδικτύου και προτείναμε τρόπους θωράκισης. Αναφέραμε επίσης συστήματα ανίχνευσης εισβολών που υπάρχουν και τα κατηγοριοποιήσαμε. Τέλος αναπτύξαμε μια σειρά από εργαλεία που χρησιμοποιούνται στις εγκληματολογικές έρευνες, για συλλογή και ανάλυση των δεδομένων που υπήρξαν σε κάποιο συμβάν. Συνοψίζοντας, η διπλωματική εργασία έχει ως κύριο στόχο να ενημερώσει για θέματα ασφάλειας που απασχολούν τόσο έναν διαχειριστή ενός υπολογιστικού συστήματος, όσο και τον απλό χρήστη που αναζητά προστασία στον κόσμο της πληροφορίας και της δικτύωσης. / -

- / -

- / -

- / -

Η ανάγκη για την επίλυση μεγάλων προβλημάτων και η εξέλιξη της τεχνολογίας του διαδικτύου, είχε ως αποτέλεσμα την διαρκή ανάγκη για την εύρεση όλο και περισσότερων πόρων. Η ανάγκη αυτή οδήγησε στην δημιουργία δομών συνεργαζόμενων υπολογιστικών συστημάτων, με απώτερο σκοπό την επίλυση προβλημάτων που απαιτούν μεγάλη υπολογιστική ισχύ ή την αποθήκευση μεγάλου όγκου δεδομένων. Η ύπαρξη τέτοιων δομών αλλά και κεντρικών μονάδων επεξεργασίας με περισσότερους από έναν επεξεργαστές, δημιούργησε πρωτόκολλα για την δημιουργία εφαρμογών που θα εκτελούνται και θα επιλύουν ένα πρόβλημα σε περισσότερους από έναν επεξεργαστές, ώστε να επιτευχθεί η μείωση του χρόνου εκτέλεσης. Ένα παράδειγμα τέτοιου πρωτοκόλλου είναι αυτό της ανταλλαγής μηνυμάτων (MPI). Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η τροποποίηση μιας υπάρχουσας εφαρμογή, που απαιτεί σημαντική υπολογιστική ισχύ, με σκοπό την εκμετάλλευση συστημάτων όπως αυτά που περιγράφηκαν προηγούμενα. Μέσα από αυτή την διαδικασία θα γίνει ανάλυση των πλεονεκτημάτων και των μειονεκτημάτων του παράλληλου προγραμματισμού. / The need to solve large problems and the development of internet technology, has resulted in the need to find more and more resources. This need led to the creation of structures collaborating systems, with a view to solving problems that require large computing power or storage of large amounts of data. The existence of such structures and central processing units with more than one processor, created protocols for the develop applications that will run and will solve a problem in more than one processor in order to achieve the reduction in execution time. An example of such a protocol is that of messaging (MPI). The purpose of this diploma thesis is to modify an existing application that requires significant computing power to exploit systems such as those described above. Through this process will analyze the advantages and disadvantages of parallel programming.

Στόχος της εργασίας είναι η μελέτη των κατανεμημένων επιθέσεων άρνησης υπηρεσίας σε δίκτυα υπολογιστών καθώς και οι τρόποι αντιμετώπισής και αναγνώρισής τους με χρήση νευρωνικού δικτύου. / The aim of this work is the study of distributed denial of service attacks on computer networks. Analyze the methods of DDoS attacks as well as how to deal and recognize them by using neural network.

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.

Στην παρούσα διπλωματική μελετήσαμε και αναπτύξαμε αλγορίθμους ανίχνευσης και κατάτμησης κινούμενου αντικειμένου σε βίντεο. Ασχοληθήκαμε με μία σειρά αλγορίθμων που διέφεραν τόσο στην πολυπλοκότητα όσο και στην ποιότητα των αποτελεσμάτων που παρήγαγαν. Σκοπός μας ήταν η ανάλυση αυτών των αλγορίθμων σε βάθος, έτσι ώστε να εντοπίσουμε τις αδυναμίες τους, προσπαθώντας κατά το δυνατόν να τις αντιμετωπίσουμε αλλά και η εφαρμογή τους στην πράξη, ώστε να διαπιστώσουμε την αποτελεσματικότητά τους αλλά και την ευελιξία τους στις ιδιαίτερες απαιτήσεις του κάθε προβλήματος. Στην πρώτη φάση της παρούσας εργασίας μελετήσαμε και αναλύσαμε τη μαθηματική αναπαράσταση των υπό εξέταση αλγορίθμων. Σκοπός μας ήταν να κατανοήσουμε πλήρως τον αλγόριθμο, ώστε να μπορέσουμε στην συνέχεια να τον εφαρμόσουμε, αλλά και να επιφέρουμε κάποιες βελτιστοποιήσεις και απλοποιήσεις στον ίδιο τον αλγόριθμο έτσι ώστε να προσαρμοστεί, όταν χρειαζόταν, στις απαιτήσεις των δικών μας προβλημάτων και να γίνει πιο εύκολα υλοποιήσιμος. Στην συνέχεια υλοποιήσαμε τους αλγορίθμους στο μαθηματικό εργαλείο Matlab και εξομοιώσαμε την λειτουργία τους. Στο στάδιο αυτό, είχαμε την δυνατότητα να μελετήσουμε στην πράξη την αποτελεσματικότητα των αλγορίθμων και να παρατηρήσουμε την ποιότητα των αποτελεσμάτων της εφαρμογής τους για διαφορετικές εισόδους. Τα αποτελέσματα των εξομοιώσεων μας καθοδηγούσαν έτσι ώστε να κάνουμε τις απαραίτητες αλλαγές τόσο στους ίδιους τους αλγορίθμους αλλά κυρίως, στον τρόπο με τον οποίο είχαμε επιλέξει να υλοποιήσουμε καθένα από τους αυτούς στο Matlab. Στο τελευταίο στάδιο, συγκεντρώσαμε τα αποτελέσματα της εξομοίωσης λειτουργίας καθενός από τους αλγορίθμους που μελετήσαμε και αξιολογήσαμε την συμπεριφορά τους. Κάνοντας τις απαραίτητες συγκρίσεις των αποτελεσμάτων, σε συνδυασμό με την πολυπλοκότητα των αλγορίθμων, εξάγαμε τα τελικά συμπεράσματα για τις δυνατότητες και την αποτελεσματικότητα τους αλλά και την τελική μας εκτίμηση για την περαιτέρω βελτιστοποίηση που είναι δυνατό να πραγματοποιηθεί σε κάποιους από αυτούς. / -