Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός ενός συστήματος ασφαλούς μεταφοράς δεδομένων από κινητές τερματικές συσκευές όπως κινητά τηλέφωνα και PDAs (Personal Digital Assistants). Ένα τέτοιο σύστημα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη μετάδοση ευαίσθητων προσωπικών δεδομένων, όπως βιοϊατρικά δεδομένα που συλλέγονται από βιοαισθητήρες, ή για τη διενέργεια ηλεκτρονικών πληρωμών. Στην παρούσα εργασία κάνουμε μία σύνοψη των τελευταίων τεχνολογιών στην κινητή τηλεφωνία, τα πρωτόκολλα επικοινωνίας για διαδικτύωση σε περιβάλλον κινητών επικοινωνιών, καθώς και βασικών κρυπτογραφικών πρωτοκόλλων, ώστε να οδηγηθούμε ομαλά στο σχεδιασμό του επιθυμητού συστήματος. Τέλος, αναπτύξαμε και παρουσιάζουμε ένα σύστημα ηλεκτρονικών πληρωμών, που βασίζεται στο σύστημα για την ασφαλή ανταλλαγή πληροφορίας σε περιβάλλον κινητών επικοινωνιών, που σχεδιάσθηκε προηγουμένως, υλοποιώντας έτσι μια εφαρμογή του προταθέντος συστήματος. / The scope of this master thesis is the design of a system for secure data transfer from mobile terminal devices like cellular phones and PDAs (Personal Digital Assistants). Such a system could be used for the transmission of critical personal data, like biomedical data collected from biosensors, or the completion of electronic payments. In this work we present the state of the art in mobile telephony and communication protocols for networking in a mobile environment, also we present some basic cryptographic protocols, in order to design the wanted system. Finally, we develop and present an electronic payments system, based on the system for the secure exchange of information in the mobile communications environment we designed before, implementing in this way an application for the suggested system.

Η προστασία των πνευματικών δικαιωμάτων και η απόδειξη γνησιότητας του κατόχου, επομένως και η πιστοποίηση της αυθεντικότητας των ψηφιακών αντικειμένων είναι ένα πολύ καυτό ζήτημα και για την επίλυσή του επιστρατεύονται μέθοδοι απόκρυψης πληροφορίας και τεχνικές υδατογράφησης. Εκτός από τη φιλοσοφική αντιμετώπιση του θέματος, προτείνονται μια μέθοδος απόκρυψης πληροφορίας και δύο τεχνικές υδατογράφησης, με σκοπό την προστασία των πνευματικών δικαιωμάτων και την πιστοποίηση της αυθεντικότητας των ψηφιακών αντικειμένων. Η μέθοδος απόκρυψης πληροφορίας δανείζεται έννοιες από την κρυπτογραφία εισάγοντας σε μεγάλες εικόνες ένα δύσκολο στιγμιότυπο, δηλαδή έναν τρία χρωματίσιμο γράφο. Ο γράφος μαζί με το χρωματισμό του αποτελεί το κλειδί. Για να μην αποκαλυφθεί όλος ο χρωματισμός του γράφου σε μια πιθανή διαμάχη, εφαρμόζεται το πρωτόκολλο των διαντιδραστικών αποδείξεων μηδενικής γνώσης (ZKIP) για δύσκολα υπολογιστικά προβλήματα. Η διαδικασία της ένθεσης γίνεται με χρήση του μετασχηματισμού wavelets, παρέχοντας καλή ποιότητα των παραγόμενων εικόνων και ανθεκτικότητα σε περιπτώσεις επιθέσεων. Οι δύο τεχνικές υδατογράφησης εφαρμόζονται στο χωρικό πεδίο και στο πεδίο συχνοτήτων, αντίστοιχα. Η τεχνική που εφαρμόστηκε στο χωρικό πεδίο εκμεταλλεύεται τυχόν ομοιότητες του υδατογραφήματος με τις αρχικές εικόνες για να επιλεγούν οι θέσεις ένθεσης. Αντίθετα στην τεχνική υδατογράφησης που εφαρμόστηκε στο πεδίο συχνοτήτων γίνεται χρήση του μετασχηματισμού wavelet. Σε όλες τις τεχνικές παρατηρήθηκαν ικανοποιητικά αποτελέσματα μετά την ένθεση της εισαγόμενης πληροφορίας έτσι ώστε να μη είναι οπτικά αντιληπτή. Επίσης εξετάστηκε και η ανθεκτικότητα της εισαγόμενης πληροφορίας στις εικόνες ύστερα από πιθανές επιθέσεις και επιβεβαιώθηκε ότι επιζεί ένα αρκετά μεγάλο ποσοστό της εισαγόμενης πληροφορίας, γεγονός που καταξιώνει τις προτεινόμενες μεθόδους. / The copyright protection and the authentication is a very hot topic and for its solution are called up data hiding methods and watermarking techniques. Αpart from the philosophical confrontation of the subject, there are proposed a data hiding method and two watermarking techniques that aim to copyright protect and the authenticate digital objects. The data hiding technique combines concepts from cryptography and it can be applied to large images by inserting a hard instance, i.e. a 3-colorable graph. The graph itself with its coloring compose the key. In order not to reveal all its coloring in a possible conflict, the Zero Knowledge Interactive Proof Protocol (ZKIP) is applied. The insertion process has been done using wavelets transformation, offering good quality of the produced images and robustness against possible attacks. The two watermarking techniques are applied in spatial domain and in frequency domain, respectively. The technique that was applied in spatial domain is exploiting any similarity between the watermark and the initial images so that to select at best the insertion positions. On the contrary, in the watermarking technique that is applied in the frequency domain, wavelets transformation has been used and the watermark was inserted in the differential coefficients of the image, in order to be imperceptible. To all the above techniques, it has been observed sufficient results after the insertion of the redundant information, so that it turned to be visible imperceptibly. Moreover, the robustness of the redundant information was each time after possible attacks examined, and it was confirmed that a rather big percentage of the redundant information is survived, making more reliable the proposed techniques.

Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας είναι η παρουσίαση των σημαντικότερων τεχνικών υδατογράφησης (watermarking techniques) ψηφιακών εικόνων με ανθεκτικότητα σε γεωμετρικούς μετασχηματισμούς και η περιγραφή και υλοποίηση ενός τέτοιου συστήματος. Οι γεωμετρικοί μετασχηματισμοί, στους οποίους δόθηκε περισσότερη έμφαση κατά την υλοποίηση του συστήματος υδατογράφησης ψηφιακών εικόνων που θα παρουσιαστεί παρακάτω, έχουν να κάνουν με την κλιμάκωση (scaling), την περιστροφή (rotation) και τον μετασχηματισμό συντεταγμένων (translation) μιας εικόνας καθώς επίσης και με συνδυασμούς αυτών. Παρόλα αυτά όμως το σύστημα που περιγράφεται αντιμετωπίζει σε ικανοποιητικό βαθμό και άλλες γεωμετρικές επιθέσεις (όπως shearing,aspect ratio change, projective, template remove κ.α.).Η ανθεκτικότητα ενός συστήματος υδατογράφησης σε αυτούς τους μετασχηματισμούς έχει να κάνει με την διατήρηση του υδατογραφήματος και την ικανοποιητική ανίχνευση του σε εικόνες που έχουν υποστεί τέτοιου είδους μετασχηματισμούς. Στην εργασία, αρχικά γίνεται μια εκτενής αναφορά στην τεχνική της υδατογράφησης και τις εφαρμογές της και έπειτα τονίζονται τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά των συστημάτων υδατογράφησης ψηφιακού υλικού. Στη συνέχεια, ορίζονται οι γεωμετρικές επιθέσεις σε εικόνες και παρουσιάζονται οι σημαντικότερες μέθοδοι υδατογράφησης ψηφιακών εικόνων, που υπάρχουν στην βιβλιογραφία, με ανθεκτικότητα στις επιθέσεις αυτές. Στην εργασία αυτή υλοποιήθηκε μία από αυτές τις μεθόδους και έγινε προσπάθεια για επέκταση και βελτίωση της σε ορισμένα σημεία που υστερούσε. Η αρχική και βελτιωμένη μέθοδος περιγράφονται αναλυτικά. Στο τέλος ένας αριθμός πειραματικών αποτελεσμάτων αποδεικνύουν την ανθεκτικότητα του νέου βελτιωμένου συστήματος που υλοποιήθηκε σε ένα μεγάλο πλήθος γεωμετρικών επιθέσεων. / The aim of this work is the presentation of the most important watermarking techniques for digital images with robustness to geometric transformations and the description and implementation of such a system. The geometric transformations, to which was given more emphasis at the implementation of the digital images watermarking system, that will be presented below, are the scaling, the rotation and the transformation of coordinates (translation) of an image as well as the combinations of these. Nevertheless, the system that is described faces in satisfactory degree and the other geometric attacks (as the shearing, the aspect ratio change, the projective, the template remove etc.). The robustness of a watermarking system to these transformations it is simply translated as the maintenance of the watermark and its satisfactory detection in images that have existed such type of transformations. In this work, it initially becomes a extensive report to the watermark technique and to its applications and then the more important characteristics of digital material watermarking systems are highlighted. Afterwards, the geometric attacks of digit images are determined and the most important watermarking methods of digital images with robustness to these attacks, that exist in the bibliography, are presented. In this work, one of these methods was implemented and it became some effort for its extension and its improvement in certain points that disadvantages. The initial and improved methods are analytically described. At the end, a number of experimental results are presented, that they prove the robustness of the new improved system to a large number of geometric attacks.

Στα πλαίσια αυτής της διδακτορικής διατριβής μελετήθηκαν τόσο το κρυπτογραφικό σχήμα του RSA όσο και τα διαφορά σχήματα κρυπτογραφίας ελλειπτικών καμπύλων με στόχο την πρόταση μιας αποδοτικής, σε ταχύτητα και απαιτούμενους πόρους υλικού, μεθοδολογία σχεδιασμού τους. Σε αυτή τη μεθοδολογία σχεδιασμού δίνεται μεγάλο βάρος στη βελτιστοποίηση των πράξεων στα πεπερασμένα σώματα που χρησιμοποιούνται στην κρυπτογραφία δημοσίου κλειδιού. Τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα σε κρυπτογραφία πεπερασμένα σώματα είναι τα GF(p) (πρώτα σώματα) και τα GF(2^k) (πεπερασμένα σώματα δυαδικής επέκτασης). Σε σχέση με την αριθμητική των GF(p), προτείνεται η χρήση του αλγόριθμου του Montgomery για modulo πολλαπλασιασμό, τροποποιημένου έτσι ώστε να χρησιμοποιεί Carry-Save πλεονάζουσα λογική καθώς και προεπεξεργασία τιμών. Η προκύπτουσα προτεινόμενη αρχιτεκτονική χρησιμοποιείται σε μονάδα ύψωσης σε δύναμη (που αποτελεί και την βασική αριθμητική πράξη του RSA). Η προτεινόμενη μονάδα επιτυγχάνει πολύ καλύτερα αποτελέσματα σε σχέση με άλλες αρχιτεκτονικές τόσο ως προς την ταχύτητα λειτουργίας αλλά και ως προς τους χρησιμοποιούμενους πόρους υλικού. Σε σχέση με την αριθμητική των GF(2^k), προτείνονται αλγόριθμοι και αρχιτεκτονικές για ευέλικτο πολλαπλασιασμό και για αντιστροφή, όταν χρησιμοποιείται πολυωνυμική βάση αναπαράστασης και μια μεθοδολογία πολλαπλασιασμού με αντίστοιχες σειριακές (SMPO) και παράλληλες αρχιτεκτονικές πολλαπλασιασμού όταν χρησιμοποιείται αναπαράσταση κανονικής βάσης. Τέλος, στα πλαίσια της αριθμητικής Ελλειπτικών Καμπύλων η οποία βασίζεται στα πεπερασμένα σώματα GF(p) ή GF(2^k) (στην κρυπτογραφία), χρησιμοποιήθηκαν προτεινόμενες αρχιτεκτονικές δομές για τα σώματα αυτά έτσι ώστε να προκύψει μια ανταγωνιστική αριθμητική μονάδα πράξεων για Ελλειπτικές Καμπύλες. Το πρόβλημα που εμφανίζεται σε μια τέτοια μονάδα έχει να κάνει με το μεγάλο κόστος της αντιστροφής σε πεπερασμένα σώματα σε πόρους υλικού αλλά και σε καθυστέρηση υπολογισμών. Χρησιμοποιώντας την αρχιτεκτονική δομή που προτείνεται στην παρούσα διδακτορική διατριβή για αντιστροφή-πολλαπλασιασμό σε GF(2^k) (μονάδα πολλαπλασιασμού/αντιστροφής) το προαναφερθέν κόστος ελαχιστοποιείται. / In this PhD dissertation the cryptographic schemes of RSA and elliptic curve cryptography were studied extensively in order to propose design methodologies for those schemes that are efficient in terms of computation speed and employed hardware resources. In the proposed methodologies special attention is given in the optimization of finite field arithmetic operations employed in public key cryptography. The most widely used such fields are the prime fields or GF(p) and the binary extension fields or GF(2^k) Concerning GF(p) arithmetic, an optimized version of Montgomery modulo multiplication algorithm is proposed for performing modular multiplication that employs Carry - Save redundant logic and value precomputation. The resulting architecture is used in a modular exponentiation unit (which is the basic arithmetic operation of RSA. The proposed unit achieves much better results in terms of computation speed and utilized hardware resources when compared to other well known similar designs. Concerning arithmetic in GF(2^k), algorithms and architectures are proposed for versatile design and inversion when polynomial basis representation of the GF(2^k)is employed. Also, a multiplication design methodology is proposed along with resulting sequential (SMPO) and parallel hardware architectures when normal basis representation of the GF(2k) is chosen. Finally, on elliptic curve arithmetic defined over GF(p) or GF(2^k) the proposed architectures for those fields were used in order to propose a competitive elliptic curve point operation arithmetic unit. The major problem of such a unit is the extensive cost in hardware resources and computation delay of finite field inversion operation. Using the architectural structure proposed in the PhD dissertation for inversion/multiplication in GF(2^k) (multiplication/inversion unit) the design cost can be minimized.

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.

Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας μελετήσαμε τους Secure Hash Algorithms, σχεδιάσαμε μια υλοποίηση αυτών με Reconfigurable αρχιτεκτονική και το συνθέσαμε σε ένα FPGA board. Η εργασία ξεκίνησε με μελέτη των προτύπων του SHA-160/224/256/384/512 και ιδιαίτερα των μαθηματικών συναρτήσεων υπολογισμού και των χαρακτηριστικών μεγεθών του κάθε αλγόριθμου. Επικεντρωθήκαμε στην εύρεση των κοινών σημείων και στα χαρακτηριστικά μεγέθη και στις συναρτήσεις και στο πως θα μπορούσαμε να εκμεταλλευτούμε αυτά για να πετύχουμε μια υλοποίηση και των πέντε αλγορίθμων χωρίς να γίνονται περιττοί υπολογισμοί και επαναχρησιμοποίηση area. Η υλοποίηση μας θα έπρεπε επίσης να έχεις τέσσερα μπλοκ διαφορετικών μηνυμάτων ταυτόχρονα προς επεξεργασία χωρίζοντας την σε τέσσερα ανεξάρτητα στάδια με pipeline τεχνική για την βελτίωση της απόδοσης. Επίσης κάθε μήνυμα μπορεί να χρησιμοποιεί οποιοδήποτε από τους αλγόριθμους SHA-160/224/256/384/512. Εφόσον η αρχική υλοποίηση μας πιστοποιήθηκε ότι παράγει το σωστό αποτέλεσμα σύμφωνα με τα test vector των προτύπων χρησιμοποιήσαμε την τεχνική του partial unrolling operations για να μειώσουμε τα απαιτούμε clock για τον υπολογισμό των hash τιμών των μηνυμάτων. Τέλος, με την χρήση Modelsim και Precision Physical, υλοποιήσαμε και συνθέσαμε και τις δυο αρχιτεκτονικές μας συγκρίνοντας τα αποτελέσματα και προτείνοντας μελλοντικές βελτιώσεις και προσθήκες στο σύστημά μας. / In this thesis we studied the Secure Hash Algorithms, designed a Reconfiguble Implementation of them and synthesized it on an FPGA board. The work started with the study of the SHA-160/224/256/384/512 prototypes and especially with the mathematical equations and the algorithm sizes. We focused on finding the common points between the algorithm sizes and the mathematical equations along with how we could take advantage of them so we could achieve an implementation of the five SHA algorithms without doing any not necessary computations and area reuse. The implementation must, also, have four different blog messages at the same time for computation in the processor unit, leading to a pipeline distinction of four autonomous parts and improved performance. Moreover the message chooses the algorithm that will be used for encryption. After we validated the original reconfigurable architecture by using the test vectors of the prototypes, we used the partial unrolling of operations technique to decrease the needed number of clocks for the computation of the message digest. Finally, by using Modelsim and Precision Physical we implemented and synthesized both proposed architectures, compared the results and proposed future improvements and additions in our system.

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.

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.

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 / -