Η παρούσα διπλωματική προτείνει μια hardware υλοποίηση του μηχανισμού πιστοποίησης μηνυμάτων βασισμένη στο πρότυπο Galois/Counter Mode (GCM) . O αλγόριθμος κρυπτογράφησης Galois/Counter Mode (GCM) εκδόθηκε από τον οργανισμό National Institute of Standards and Technology (NIST) τον Νοέμβριο του 2007. Σε συνεργασία με τον μηχανισμός κρυπτογράφησης μηνυμάτων, υλοποιείται το πρότυπο GCM για online λειτουργία. Στο Κεφάλαιο 1, αρχικά γίνεται μια σύντομη ιστορική αναδρομή στον τομέα της κρυπτογραφίας. Στην συνέχεια παρουσιάζονται οι λόγοι που οδήγησαν στην δημιουργία αυτού του αλγορίθμου. Ακολουθεί μια σύντομη εισαγωγή στον GCM και στους τρόπους με τους οποίος αυτός δουλεύει. Στο τέλος του κεφαλαίου αναφέρονται οι πρακτικές εφαρμογές που έχει η χρήση του GCM. Στο Κεφάλαιο 2, αρχικά αναφέρονται οι συμβολισμοί που χρησιμοποιούνται στην διπλωματική καθώς και οι βασικές έννοιες που χρησιμοποιούνται. Στην συνέχεια, αναλύεται το μαθηματικό υπόβαθρο που είναι απαραίτητο για την κατανόηση των εσωτερικών μηχανισμών του GCM. Η ανάλυση που γίνεται σε αυτή την ενότητα αποτελεί και την βασική αρχή στην οποία στηρίχτηκε η δημιουργία του αλγορίθμου. Ακολουθεί η ανάλυση των μαθηματικών συνιστωσών του GCM. Η ενότητα αυτή κατατάσσεται τόσο σε μαθηματική ανάλυση όσο και σε hardware προσέγγιση των επιμέρους συνιστωσών . Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η τελευταία υποενότητα του κεφαλαίου που παρουσιάζει τον τρόπο με τον οποίο από τον σειριακό πολλαπλασιαστή στο GF(2128) οδηγούμαστε στον παράλληλο πολλαπλασιαστή. Στο Κεφάλαιο 3, αρχικά παρουσιάζεται ο Advanced Encryption Standard (AES) και πιο συγκεκριμένα η forward function αυτού με υποστηριζόμενο κλειδί 128 bit. Στην συνέχεια του κεφαλαίου, παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα για την υλοποίηση με χρήση FPGAs, επίσης γίνεται μια σύντομη περιγραφή των βασικών διαφορών που παρουσιάζονται στις δύο οικογένειες FPGAs που χρησιμοποιήθηκαν. Στο Κεφάλαιο 4 , πραγματοποιείται η ανάλυση του αλγορίθμου GCM βασισμένη στο recommendation του NIST. Παρουσιάζονται όλοι οι επιμέρους αλγόριθμοι που χρησιμοποιούνται καθώς και ο τρόπος με τον οποίον αυτοί αλληλεπιδρούν και συνεργάζονται για την δημιουργία του GCM αλγορίθμου. Στο τέλος του κεφαλαίου, αναφέρονται οι απαιτήσεις για key και IV που πρέπει να ικανοποιούνται για να θεωρείται ο αλγόριθμος κρυπτογραφικά ισχυρός. Στο Κεφάλαιο 5, αρχικά γίνεται μια top down ανάλυση του GCM. Η ανάλυση αυτή χρησιμοποιείται στην δεύτερη ενότητα όπου προτείνεται και αναλύεται η αρχιτεκτονική που χρησιμοποιήθηκε για την hardware υλοποίηση. Στην συνέχεια, αναλύονται τα βασικά δομικά στοιχεία του GCM. Στην τελευταία ενότητα αναφέρεται η δομή που χρησιμοποιήθηκε με σκοπό την υλοποίηση για high speed απαιτήσεις. Στο Κεφάλαιο 6, αρχικά γίνεται εισαγωγή στον μηχανισμό πιστοποίησης μηνυμάτων έτσι όπως αυτό υλοποιήθηκε. Στην συνέχεια , παραθέτονται τα αποτέλεσμα που προέκυψαν από την εξομοίωση του VHDL κώδικα. Ακολουθούν τα αποτελέσματα της σύνθεσης και σύγκριση μεταξύ διαφορετικών τρόπων υλοποίησης. Στο τέλος του κεφαλαίου γίνεται σύγκριση μεταξύ των δύο τεχνολογιών που χρησιμοποιήθηκαν για την σύνθεση. Στο κεφάλαιο 7, αρχικά γίνεται εισαγωγή στον τρόπο με τον οποίο ο μηχανισμός πιστοποίησης και κρυπτογράφησης μηνυμάτων συνεργάζονται. Στην δεύτερη ενότητα παραθέτεται ο τρόπος λειτουργίας του GCM μηχανισμού που υλοποιήθηκε. Ακολουθούν τα αποτελέσματα της εξομοίωσης. Στην τελευταία ενότητα παραθέτονται τα αποτέλεσμα σύνθεσης σε δύο διαφορετικές τεχνολογίες. Στο Παράρτημα Α παρουσιάζεται ο τρόπος χρήσης του Xilinx ISE που χρησιμοποιήθηκε για την σύνθεση του VHDL κώδικα για την τεχνολογία Virtex 5. Τέλος στο Παράρτημα Β παρουσιάζονται κάποια βασικά κομμάτια του κώδικα C. / The Galois/Counter Mode of Operation (GCM), recently standardized by NIST, simultaneously authenticates and encrypts data at speeds not previously possible for both software and hardware implementations. In GCM, data integrity is achieved by chaining Galois field multiplication operations while a symmetric key block cipher such as the Advanced Encryption Standard (AES), is used to meet goals of confidentiality.

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας ήταν: ο σχεδιασμός και η υλοποίηση (σε γλώσσα περιγραφής υλικού VHDL) ενός πλήρως pipeline CBC-HMAC συστήματος που εξασφαλίζει τις κρυπτογραφικές υπηρεσίες της εμπιστευτικότητας, της ακεραιότητας και της επικύρωσης. Το κίνητρο αυτής της υλοποίησης ήταν οι πολλές διαδεδομένες υπηρεσίες όπου χρησιμοποιείται το CBC-HMAC σύστημα όπως: IPsec, ΙΕΕΕ 802.11i (CCMP), TLS πρωτόκολλο, ΙΕΕΕ P1619.1, SRTprotocol κ.τ.λ. Το Advanced Encryption Standard (AES) και το CBC-AES256 κρυπτογραφικό σύστημα βελτιστοποιήθηκαν όσο αφορά την ταχύτητα και τον παράγοντα area και υλοποιήθηκαν με pipeline τεχνική με την οποία, μπορούν να επεξεργάζονται ταυτόχρονα μέχρι και 7 διαφορετικά μηνύματα εισόδου. O μηχανισμός HMAC με pipeline αρχιτεκτονική βελτιστοποιήθηκε επίσης χρησιμοποιώντας ως κρυπτογραφικό πυρήνα τον SHA-256 αλγόριθμο. Το CBC-HMAC σύστημα εξομοιώθηκε πλήρως και ελέγχθηκε χρησιμοποιώντας τον προσομοιωτή ModelSim. Το εργαλείο σύνθεσης της VHDL υλοποίησης, στις FPGA τεχνολογίες (οικογένεια συσκευών Xilinx- Virtex) ήταν η μηχανή σύνθεσης LeonardoSpectrum. Το υλοποιημένο CBC-HMAC σύστημα σχεδιάστηκε με pipeline αρχιτεκτονική, με αποτέλεσμα να μπορεί να επεξεργάζεται ταυτόχρονα μέχρι και 11 διαφορετικά μηνύματα εισόδου και με εξαγωγή αποτελέσματος ανά 20 clk. Τα αποτελέσματα της σύνθεσης (Xilinx-VirtexE) είναι για τη συχνότητα 46.0 MHz και για το throughput 1177.6 Mbps. Αυτά δείχνουν ότι το υλοποιημένο σύστημα έχει αποδοτική συχνότητα και υψηλό ρυθμό εξυπηρέτησης (throughput) που είναι πολύ μεγαλύτερος σε σύγκριση με τη τυπική υλοποίηση του ιδίου συστήματος. / -

- / -

Σκοπός αυτής της διπλωαμτικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός και η υλοποίηση (σε γλώσσα περιγραφής υλικού VHDL) των κρυπτογραφικών αλγορίθμων SHA-1 και SHA-256. Απώτερος στόχος υπήρξε η σύγκριση και αξιολόγηση της κάθε υλοποίησης για να επιτευχθεί όσο το δυνατόν καλύτερο throughput/area. Οι τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν ήταν η βελτίωση του αλγορίθμου μαζί με την τεχνική της διοχέτευσης. / Aim of this work is the planning and the concretisation (in VHDL)of the cryptographic algorithms SHA-1 and SHA-256. Final objective is the comparison and evaluation of each concretisation in order to achieve optimum throughput/area. The techniques that were used were the improvement of algorithm with the technique of pipeline.

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.

Digital image watermarking techniques have drawn the attention of researchers and practitioners as a means of protecting copyright in digital images. The technique involves a subset of information-hiding technologies, which work by embedding information into a host image without perceptually altering the appearance of the host image. Despite progress in digital image watermarking technology, the main objectives of the majority of research in this area remain improvements in the imperceptibility and robustness of the watermark to attacks. Watermark attacks are often deliberately applied to a watermarked image in order to remove or destroy any watermark signals in the host data. The purpose of the attack is. aimed at disabling the copyright protection system offered by watermarking technology. Our research in the area of watermark attacks found a number of different types, which can be classified into a number of categories including removal attacks, geometry attacks, cryptographic attacks and protocol attacks. Our research also found that both pixel domain and transform domain watermarking techniques share similar levels of sensitivity to these attacks. The experiment conducted to analyse the effects of different attacks on watermarked data provided us with the conclusion that each attack affects the high and low frequency part of the watermarked image spectrum differently. Furthermore, the findings also showed that the effects of an attack can be alleviated by using a watermark image with a similar frequency spectrum to that of the host image. The results of this experiment led us to a hypothesis that would be proven by applying a watermark embedding technique which takes into account all of the above phenomena. We call this technique 'region-adaptive watermarking'. Region-adaptive watermarking is a novel embedding technique where the watermark data is embedded in different regions of the host image. The embedding algorithms use discrete wavelet transforms and a combination of discrete wavelet transforms and singular value decomposition, respectively. This technique is derived from the earlier hypothesis that the robustness of a watermarking process can be improved by using watermark data in the frequency spectrum that are not too dissimilar to that of the host data. To facilitate this, the technique utilises dual watermarking technologies and embeds parts of the watermark images into selected regions of the host image. Our experiment shows that our technique improves the robustness of the watermark data to image processing and geometric attacks, thus validating the earlier hypothesis. In addition to improving the robustness of the watermark to attacks, we can also show a novel use for the region-adaptive watermarking technique as a means of detecting whether certain types of attack have occurred. This is a unique feature of our watermarking algorithm, which separates it from other state-of-the-art techniques. The watermark detection process uses coefficients derived from the region-adaptive watermarking algorithm in a linear classifier. The experiment conducted to validate this feature shows that, on average, 94.5% of all watermark attacks can be correctly detected and identified.

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.