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.

Με την αύξηση της χρήσης του διαδικτύου σε εφαρμογές από απλή μεταφορά δεδομένων μέχρι ηλεκτρονικό εμπόριο, υπάρχει ανάγκη για ασφάλεια, η οποία έχει δώσει ώθηση στην έρευνα για κρυπτογραφικά πρωτόκολλα. Σήμερα είναι απαραίτητα πλέον τα πρωτόκολλα ασφαλείας σε όλες σχεδόν τις σημαντικές συναλλαγές, είτε είναι πρόσβαση σε κάποιο δίκτυο είτε για ηλεκτρονικό εμπόριο ή επικοινωνίες. Η κρυπτογραφία ελλειπτικών καμπυλών προσφέρει μια εναλλακτική λύση με εμφανή πλεονεκτήματα έναντι των παραδοσιακών συστημάτων ασφαλείας. Το βασικό τους πλεονέκτημα είναι ότι απαιτούν μικρότερο μήκος κλειδιού για επίτευξη ίδιου επιπέδου ασφαλείας με πιο παραδοσιακά κρυπτογραφικά συστήματα (όπως το RSA). Αυτή ακριβώς η ιδιότητα καθιστά τα κρυπτογραφικά συστήματα ελλειπτικών καμπυλών ιδιαίτερα ελκυστικά για εφαρμογή σε ενσωματωμένα συστήματα τα οποία εξορισμού έχουν περιορισμένους πόρους. Η παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζει την μεταφορά μιας βιβλιοθήκης ελλειπτικών καμπυλών σε ένα ενσωματωμένο σύστημα. Ιδιαίτερο βάρος δόθηκε στην δημιουργία ελλειπτικών καμπυλών κατάλληλων για χρήση σε κρυπτογραφικά συστήματα. Η κατασκευή των ελλειπτικών καμπυλών οι οποίες θεωρούνται ασφαλείς γίνονται με την μέθοδο του μιγαδικού πολλαπλασιασμού, Παρουσιάζεται η διαδικασία μεταφοράς, τα προβλήματα καθώς και τα πειραματικά αποτελέσματα. Επίσης παρουσιάζεται μια εφαρμογή η οποία επιδεικνύει τις δυνατότητες δημιουργίας ασφαλούς ελλειπτικής καμπύλης καθώς και την χρήση της καμπύλης αυτής για ασφαλή μετάδοση δεδομένων. Έτσι έχουμε ένα ενσωματωμένο σύστημα, με περιορισμένες δυνατότητες, το οποίο όχι μόνο υλοποιεί τα κατάλληλα πρωτόκολλα ελλειπτικών καμπυλών, αλλά έχει την δυνατότητα να δημιουργεί ασφαλείς ελλειπτικές καμπύλες κατάλληλες για χρήση από άλλες συσκευές. / Over the last years there has been a rapid growth in Internet use and its benefits. Applications depending on connectivity range from simple networks to e-commerce and e-banking. Furthermore the nature of the hardware used in these transactions has been altered significally. Instead of high-end desktop computers laptops, PDAs and cell phones are widely used both in wired and wireless networks. In an environment as open as the Internet users may be in danger and their transactions may be compromised. There is an immediate need for safe cryptographic systems even for devices that meet hardware restrictions (i.e. processing power or memory and space limitations) without compromising the security levels required. Elliptic curve cryptography offers an interesting alternative in this direction instead of more traditional public key cryptosystem such as RSA. The main reason for this is the mathematical problems on which Elliptic Curve Cryptography (ECC) is based. ECC is based on the elliptic Curve Discrete Logarithm Problem (ECDLP). ECDLP is the ECC equivalent to DLP which is used in most public key cryptosystems and was introduced by Koblitz and Miller in 1985. So far the best algorithms for attacking the ECDLP take exponential time while for the DLP the time required is sub-exponential. This means that an ECC system can use smaller key size than traditional cryptosystems to achieve the same results. As an example, an ECC system with a key size of 160 bits is roughly equivalent to an RSA system with a key size of 1024 bits. Since the key size is significally smaller, so are requirements in space and memory, making ECC an excellent candidate for implementation in devices with limited resources. In this thesis we present an ECC library (ECC-LIB) in an embedded device with hardware limitations. ECC-LIB was developed by Elisavet Konstantinou, Yiannis Stamatiou, and Christos Zaroliagis as a tool to provide users with a modular library that allows development of various cryptographic protocols. We decided to use this library not on a desktop computer but on an embedded device to try and address any problems that might occur in such a limited environment. The device we selected is the AT76C520 chip, which can be used either as a wireless Access Point or as a network processor, with a microprocessor capable of running ucLinux, which is a Linux distribution for embedded devices. Our effort was focused on importing the library without changing the source code to ensure portability. We focused on the implementation of Complex Multiplication method for generating secure elliptic curves, which is not supported by most of the other implementations in embedded systems. Our experimental results demonstrate such an implementation is feasible and can produce efficiently elliptic curves suitable for use in cryptographic systems. Also, our implementation is highly portable. It can be used as is, or with minor changes, on practically any embedded system, since it is written exclusively in standard ANSI C, and there are no device specific optimizations (like assembly). We also implemented an application to support a working scenario. In this scenario our device is used as server from which other devices (wired or wireless, embedded or high end systems) can request an elliptic curve to use in order to achieve security in their communication. The client can request an elliptic curve of specific security level and our application can generate a suitable curve (using the Complex Multiplication method) and distribute it. This means that in a suitable environment plethora of devices can communicate safely, with devices types ranging from desktop computers to mobile phones and PDAs.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα μελετήσουμε τις διαδικασίες της κρυπτογράφησης και της αποκρυπτογράφησης. Θα αναφερθούμε στους λόγους που τις έκαναν δημοφιλείς σε πολλά πεδία εφαρμογής (μαθηματικά, εμπόριο, στρατός κ.α). Ιδιαίτερη αναφορά θα γίνει στους κρυπτογραφικούς αλγορίθμους SHA-256 και SHA-512. Θα μελετήσουμε τη δομή τους και τον τρόπο λειτουργίας τους. Στη συνέχεια θα μελετήσουμε πως μπορούμε σε ένα κύκλωμα να συνδυάσουμε τόσο τη λειτουργία του αλγορίθμου SHA-256, όσο και του SHA-512. Το καινούργιο αυτό κύκλωμα καλείται multi-mode. Τέλος, θα χρησιμοποιήσουμε το Modelsim για την εξομοίωση των αλγορίθμων και το εργαλείο Xilinx ISE θα βοηθήσει στη σύνθεσή τόσο των μεμονωμένων αλγορίθμων, όσο και του multi-mode κυκλώματος. / In this diploma thesis, we will study the process of encryption and decryption. We will refer to the reasons why these processes are so popular in many fields (mathematics, trade, army, etc). A special reference will be made in the cryptographic algorithms SHA-256 and SHA-512. We will study their structure and function. Furthermore, we will discuss the two above mentioned algorithms can be operated in the same circuit. This is called multi-mode. Finally, we will use Modelsim in order to compile our algorithms and Xilinx ISE for the synthesis not only for the stand-alone algorithms, but for the multi-mode circuit, as well.

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

Dans de nombreuses applications dont celles du domaine médical et de l’embarqué, l’authentification des images nécessite de prendre en compte les contraintes temporelles, le taux d’insertion, la qualité visuelle et la robustesse contre différentes attaques. Le tatouage a été proposé comme approche complémentaire à la cryptographie pour l’amélioration de la sécurité des images. Il peut être effectué soit dans le domaine spatial sur les pixels de l’image, soit dans le domaine fréquentiel sur les coefficients de sa transformée. Dans cette thèse, le but est de proposer des approches de tatouage permettant d’assurer un niveau élevé d’imperceptibilité et de robustesse, tout en maintenant un niveau de complexité répondant aux exigences d’applications soumises à des contraintes temporelles. La démarche adoptée a consisté, d’une part, à s’appuyer sur les bénéfices du zéro-tatouage (zero-watermarking) qui ne change pas la qualité perceptuelle de l’image et qui a une faible complexité computationnelle, et d’autre part, à analyser les caractéristiques visuelles de l’image afin de détecter les zones les plus adaptées pour insérer la marque avec un bon niveau d’imperceptibilité et une bonne robustesse. Une approche de zéro-tatouage a ainsi été proposée dans cette thèse, ainsi que plusieurs approches de tatouage basées sur l’analyse de caractéristiques visuelles de l’image et sur des techniques d’intelligence artificielles ou connexes.Les solutions proposées ont été analysées du point de vue de l’imperceptibilité, de la robustesse et de la performance temporelle et les résultats d’analyses ont montré qu’elles apportent des améliorations significatives par rapport aux approches existantes. / In numerous applications such as those of medical and embedded domains, images authentication requires taking into account time constraints, embedding rate, perceptual quality and robustness against various attacks. Watermarking has been proposed as a complementary approach to cryptography, for improving the security of digital images. Watermarking can be applied either in the spatial domain on the pixels of the image, or in the frequency domain on the coefficient of its transform.In this thesis, the goal is to propose image watermarking approaches that make it possible to ensure high level of imperceptibility and robustness while maintaining a level of computational complexity fitting the requirements of time-constrained applications. The method adopted in this thesis has consisted, on the one hand, to rely on the benefit of zero-watermarking that does not degrade the perceptual quality of image data and has low computational complexity, and on the other hand, to analyze visual characteristics of digital image (characteristics that are correlated to the Human Visual System - HVS) in order to identify the locations the most adapted for embedding the watermark with good level of imperceptibility and robustness. A zero-watermarking has therefore been proposed in this thesis, as well as several watermarking approaches based on the analysis of visual characteristics of image and on artificial intelligence or related techniques. The proposed solutions have been analyzed with respect to imperceptibility, robustness and temporal performance and the results have shown significant improvements in comparison to existing approaches.

Avec la prolifération des appareils mobiles, la mobilité devient une exigence et une caractéristique incontournable pour 5G. Cependant, en dépit des efforts pour permettre la mobilité dans le réseau IP, les solutions sont anchor-basées et inefficaces. Dans ce contexte, le réseau centré sur l'information (ICN) est proposé. Alors que ICN soutient mieux la mobilité, certains défis restent sans solution pour une mobilité transparente. La thèse explore trois défis de ce type et propose solutions efficaces. Tout d'abord, pour résoudre la mobilité des producteurs, MapMe, un protocole de gestion de micro mobilité compatible avec trafics latence-sensibles est proposée. MAP-Me est sans anchor et préserve les avantages de l'ICN. Les résultats de simulation montrent que MAP-Me surpasse les autres solutions en matière de performances client tout en gardant bas les frais de réseau sur diverses conditions réseau. En plus, nous étudions la sécurité de mobilité des producteurs. Nous nous concentrons sur l'attaque de préfixe hijacking, qui est à la base de plusieurs attaques. Pour éviter cette attaque, nous proposons un protocole léger et distribué basé sur hash-chaining. Les premiers résultats montrent une amélioration significative des frais de vérification. Enfin, il faut d'autres mécanismes dans la couche transport pour ICN mobile. Nous proposons WLDR et MLDR pour la détection et la récupération des pertes dans le réseau afin de faciliter le contrôle de la congestion. Les résultats de simulation montrent une réduction significative du temps d'écoulement (jusqu'à 20%). / With the proliferation of mobile devices, mobility becomes a requirement and a compelling feature for 5G. However, despite tremendous efforts in the last 2 decades to enable mobility in IP network, the solutions are mostly anchor-based and inefficient. In this context, Information-Centric networking (ICN) is proposed. While ICN has some native support of mobility, other architectural challenges remain unsolved to achieve seamless mobility. The thesis explores 3 main challenges of such and contributes novel solutions. First, to solve producer mobility, MapMe, a micro mobility management protocol supporting latency sensitive traffic is proposed. MAP-Me is anchorless and preserves key ICN benefits. Simulation results show that MAP-Me outperforms existing work in user performance while retaining low network overheads in various network conditions. Second, we investigate security in producer mobility. We focus on prefix hijacking attack, which is a basis of several attacks. To prevent prefix hijacking, we propose a light-weight and distributed prefix attestation protocol based on hash-chaining. First results show significant improvement in verification overhead. It is resistant to replay-based prefix hijacking. Finally, additional transport-layer mechanisms are needed in mobile ICN. To this aim, we investigate alleviating the adverse effect of wireless/mobility loss on congestion control. We propose WLDR and MLDR for in-network loss detection and recovery to facilitate congestion control. Simulation results show a significant reduction in flow completion time (up to 20%).

Au cours des dernières années, les réseaux de type (NDN) sont devenus une des architectures réseau les plus prometteuses. Pour être adopté à l'échelle d'Internet, NDN doit résoudre les problèmes inhérents à l'Internet actuel. La fuite d’informations fait partie de ces problèmes, et il est très important d’évaluer ce risque pour les réseaux de type NDN. La thèse se propose d'évaluer ce risque. En supposant (i) qu'un ordinateur appartient au réseau d'une entreprise basée sur une architecture NDN, (ii) que l'ordinateur a déjà été compromis par un support malveillant, et (iii) que la société installe un pare-feu, la thèse évalue la situation dans laquelle l’ordinateur infecté tente de divulguer des données à un attaquant externe à l'entreprise. Les contributions de cette thèse sont au nombre de cinq. Tout d'abord, cette thèse propose une attaque par fuite d'informations via un paquet donné et un paquet intérêt propres à NDN. Deuxièmement, afin de remédier à l'attaque fuite d'informations, cette thèse propose un pare-feu basé sur l'utilisation d'une liste blanche et d'une liste noire afin de surveiller et traiter le trafic NDN provenant des consommateurs. Troisièmement, cette thèse propose un filtre de noms NDN pour classifier un nom dans un paquet d'intérêt comme étant légitime ou non. Le filtre de noms peut ainsi réduire le débit par paquet d'intérêt. Cependant, pour adapter la vitesse de l'attaque, les logiciels malveillants peuvent envoyer de nombreux intérêts en très peu de temps. De même, le logiciel malveillant peut exploiter un intérêt avec une information explicite dans le nom (comme peut le faire un message véhiculé par un POST sur HTTP). Cela dépasse alors la portée du filtre de nom proposé et rend le filtre inefficace. Pour prendre en compte le flux de trafic analysé par le pare-feu NDN, cette thèse propose comme quatrième contribution la surveillance du flux NDN à travers le pare-feu. Enfin, afin de traiter les inconvénients du filtre de noms NDN, cette thèse propose un filtre de flux NDN permettant de classer un flux comme légitime ou non. L'évaluation des performances montre que le filtre de flux complète de manière tout à fait performante le filtre de nom et réduit considérablement le débit de fuite d'informations / In recent years, Named Data Networking (NDN) has emerged as one of the most promising future networking architectures. To be adopted at Internet scale, NDN needs to resolve the inherent issues of the current Internet. Since information leakage from an enterprise is one of the big issues even in the Internet and it is very crucial to assess the risk before replacing the Internet with NDN completely, this thesis investigates whether a new security threat causing the information leakage can happen in NDN. Assuming that (i) a computer is located in the enterprise network that is based on an NDN architecture, (ii) the computer has already been compromised by suspicious media such as a malicious email, and (iii) the company installs a firewall connected to the NDN-based future Internet, this thesis focuses on a situation that the compromised computer (i.e., malware) attempts to send leaked data to the outside attacker. The contributions of this thesis are fivefold. Firstly, this thesis proposes an information leakage attack through a Data and through an Interest in NDN. Secondly, in order to address the information leakage attack, this thesis proposes an NDN firewall which monitors and processes the NDN traffic coming from the consumers with the whitelist and blacklist. Thirdly, this thesis proposes an NDN name filter to classify a name in the Interest as legitimate or not. The name filter can, indeed, reduce the throughput per Interest, but to ameliorate the speed of this attack, malware can send numerous Interests within a short period of time. Moreover, the malware can even exploit an Interest with an explicit payload in the name (like an HTTP POST message in the Internet), which is out of scope in the proposed name filter and can increase the information leakage throughput by adopting a longer payload. To take traffic flow to the NDN firewall from the consumer into account, fourthly, this thesis proposes an NDN flow monitored at an NDN firewall. Fifthly, in order to deal with the drawbacks of the NDN name filter, this thesis proposes an NDN flow filter to classify a flow as legitimate or not. The performance evaluation shows that the flow filter complements the name filter and greatly chokes the information leakage throughput

La cryptographie à base de réseaux euclidiens a généré un vif intérêt durant les deux dernièresdécennies grâce à des propriétés intéressantes, incluant une conjecture de résistance àl’ordinateur quantique, de fortes garanties de sécurité provenant d’hypothèses de difficulté sur lepire cas et la construction de schémas de chiffrement pleinement homomorphes. Cela dit, bienqu’elle soit cruciale à bon nombre de schémas à base de réseaux euclidiens, la génération debruit gaussien reste peu étudiée et continue de limiter l’efficacité de cette cryptographie nouvelle.Cette thèse s’attelle dans un premier temps à améliorer l’efficacité des générateurs de bruitgaussien pour les signatures hache-puis-signe à base de réseaux euclidiens. Nous proposons unnouvel algorithme non-centré, avec un compromis temps-mémoire flexible, aussi rapide que savariante centrée pour des tables pré-calculées de tailles acceptables en pratique. Nousemployons également la divergence de Rényi afin de réduire la précision nécessaire à la doubleprécision standard. Notre second propos tient à construire Falcon, un nouveau schéma designature hache-puis-signe, basé sur la méthode théorique de Gentry, Peikert et Vaikuntanathanpour les signatures à base de réseaux euclidiens. Nous instancions cette méthode sur les réseauxNTRU avec un nouvel algorithme de génération de trappes. / Lattice-based cryptography has generated considerable interest in the last two decades due toattractive features, including conjectured security against quantum attacks, strong securityguarantees from worst-case hardness assumptions and constructions of fully homomorphicencryption schemes. On the other hand, even though it is a crucial part of many lattice-basedschemes, Gaussian sampling is still lagging and continues to limit the effectiveness of this newcryptography. The first goal of this thesis is to improve the efficiency of Gaussian sampling forlattice-based hash-and-sign signature schemes. We propose a non-centered algorithm, with aflexible time-memory tradeoff, as fast as its centered variant for practicable size of precomputedtables. We also use the Rényi divergence to bound the precision requirement to the standarddouble precision. Our second objective is to construct Falcon, a new hash-and-sign signaturescheme, based on the theoretical framework of Gentry, Peikert and Vaikuntanathan for latticebasedsignatures. We instantiate that framework over NTRU lattices with a new trapdoor sampler.

Στην διδακτορική διατριβή αναπτύξαμε ασφαλή και έμπιστα πρωτόκολλα επικοινωνιών εισάγοντας ένα νέο μοντέλο έμπιστου συστήματος που ικανοποιεί τις συνεχώς εξελισσόμενες απαιτήσεις των υπολογιστικών συστημάτων. Για την ανάπτυξη του μοντέλου μας συνδυάσαμε την μαθηματική λογική και τα φαινόμενα κατωφλίου που προκύπτουν ασυμπτωτικά στην ανάπτυξη των συνδυαστικών δομών. Η βασική ιδέα της διδακτορικής διατριβής είναι ότι στα δυναμικά γενικά συστήματα υπολογισμού δεν μπορεί η έννοια της εμπιστοσύνης και της ασφάλειας να είναι στατική. Πιστεύουμε ότι ένα έμπιστο και ασφαλές σύστημα θα πρέπει να μελετάται με στατιστικές, ασυμπτωτικές παραμέτρους, καθώς τα τμήματα του συστήματος εξελίσσονται. Κατά συνέπεια, ο κύριος στόχος μας είναι να καθορίσουμε την εμπιστοσύνη ως μια ιδιότητα του συστήματος που «εμφανίζεται» όταν ισχύουν ασυμπωτικά, σχεδόν βέβαια ένα σύνολο λογικών ιδιοτήτων στις τυχαίες δομές επικοινωνίας, οι οποίες διαμορφώνουν τα συστήματα υπολογισμού. Στην διδακτορική διατριβή καθορίζονται διάφορες ιδιότητες που σχετίζονται με την ασφάλεια και εμπιστοσύνη του συστήματος και εκφράζονται χρησιμοποιώντας την λογική πρώτης ή δεύτερης τάξης και ταυτόχρονα ορίζονται και οι προϋποθέσεις κάτω από τις οποίες αυτές οι ιδιότητες εμφανίζονται στο όριο τους, καθώς το σύστημα αυξάνεται. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιούμε μοντέλα γράφων που μπορούν ρεαλιστικά να περιγράψουν ένα δυναμικό και συνεχώς εξελισσόμενο δίκτυο και δείχνουμε ότι αυτά τα μοντέλα μπορεί να χρησιμοποιηθούν για να ικανοποιούν διάφορες ``καλές'' ιδιότητες, οι οποίες του επιτρέπουν μια ασφαλή επικοινωνία. Το τελευταίο διάστημα παρουσιάζουν αρκετό ερευνητικό και επιστημονικό ενδιαφέρον τα ασύρματά δίκτυα που χρησιμοποιούν συσκευές με μικρούς πόρους σε μνήμη και ενέργεια. Επιπλέον η διδακτορική διατριβή περιλαμβάνει τον σχεδιασμό και την υλοποίηση νέων κρυπτογραφικών πρωτοκόλλων διαχείρισης κλειδιού σε τέτοια ασύρματα δυναμικά δίκτυα . Εδώ παρουσιάζουμε κρυπτογραφικά πρωτόκολλα που είναι κατάλληλα για μια μη στατική δομή δικτύου, τα οποία δεν απαιτούν συγκεκριμένη τοπολογία δικτύου και στηρίζονται μόνο στις απλές περιορισμένου φάσματος ανταλλαγές μηνυμάτων. Για να μπορέσουμε να αναπτύξουμε αυτά τα πρωτόκολλα βασιστήκαμε σε γνωστές κρυπταναλιτικές μεθόδους χρησιμοποιώντας πρωτόκολλα κρυπτογράφησης και αποκρυπτογράφησης. Τέλος η μελέτη μας δίνει έμφαση στα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των πρωτοκόλλων μας δεδομένης της διαθέσιμης τεχνολογίας, των αντίστοιχων κριτηρίων αποδοτικότητας (ενέργεια, χρόνος) και του παρεχόμενου επιπέδου ασφάλειας. / In this Phd thesis,, we try to use formal logic and threshold phenomena that asymptotically emerge with certainty in order to build new trust models and to evaluate the existing one. The departure point of our work is that dynamic, global computing systems are not amenable to a static viewpoint of the trust concept, no matter how this concept is formalized. We believe that trust should be a statistical, asymptotic concept to be studied in the limit as the system's components grow according to some growth rate. Thus, our main goal is to define trust as an emerging system property that ``appears'' or "disappears" when a set of properties hold, asymptotically with probability$ 0$ or $1$ correspondingly . Here we try to combine first and second order logic in order to analyze the trust measures of specific network models. Moreover we can use formal logic in order to determine whether generic reliability trust models provide a method for deriving trust between peers/entities as the network's components grow. Our approach can be used in a wide range of applications, such as monitoring the behavior of peers, providing a measure of trust between them, assessing the level of reliability of peers in a network. Wireless sensor networks are comprised of a vast number of ultra-small autonomous computing, communication and sensing devices, with restricted energy and computing capabilities, that co-operate to accomplish a large sensing task. Sensor networks can be very useful in practice. Such systems should at least guarantee the confidentiality and integrity of the information reported to the controlling authorities regarding the realization of environmental events. Therefore, key establishment is critical for the protection in wireless sensor networks and the prevention of adversaries from attacking the network. Finally in this dissertation we also propose three distributed group key establishment protocols suitable for such energy constrained networks. This dissertation is composed of two parts. Part I develops the theory of the first and second order logic of graphs - their definition, and the analysis of their properties that are expressible in the {\em first order language} of graphs. In part II we introduce some new distributed group key establishment protocols suitable for sensor networks. Several key establishment schemes are derived and their performance is demonstrated.