Submitted by Aline Batista (alinehb.ufpel@gmail.com) on 2018-04-19T14:01:22Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_Rodrigo_Nuevo_Lellis.pdf: 1982046 bytes, checksum: 64712cc3d5117bfeff36f5d57b2f6054 (MD5) / Approved for entry into archive by Aline Batista (alinehb.ufpel@gmail.com) on 2018-04-19T14:41:57Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_Rodrigo_Nuevo_Lellis.pdf: 1982046 bytes, checksum: 64712cc3d5117bfeff36f5d57b2f6054 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-19T14:45:19Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_Rodrigo_Nuevo_Lellis.pdf: 1982046 bytes, checksum: 64712cc3d5117bfeff36f5d57b2f6054 (MD5) Previous issue date: 2017-02-23 / Sem bolsa / Nas últimas décadas uma das grandes preocupações de projetistas de hardware dedicado a aplicações que exigem segurança e sigilo de informações tais como smart cards são os ataques a canais laterais (em inglês Side Channel Attacks – SCAs). Estes ataques permitem relacionar os dados processados em dispositivos eletrônicos com grandezas físicas tais como a potência, a emissão de radiação eletromagnética ou o tempo de processamento. Isto se torna crítico quando, por exemplo, algoritmos criptográficos são executados e a chave criptográfica pode ser revelada pelo ataque. Dentre estes ataques, os baseados nos traços de potência, conhecidos como ataque por Análise Diferencial de Potência (em inglês Differential Power Analysis – DPA) e na emissão de radiação eletromagnética, denominados de Análise Diferencial Eletromagnética (em inglês Differential Electromagnetic Analysis - DEMA) são os mais populares, e por não serem invasivos, serem eficientes e não deixarem rastros no dispositivo atacado. Por outro lado, estes ataques exigem que a aquisição dos traços de potência ou radiação eletromagnética, sejam alinhados no tempo a fim de comparar e avaliar estatisticamente as amostras relativas a execução de operações com diferentes dados. Na literatura, existem diversas contramedidas visando evitar a ação destes ataques através da inserção de aleatoriedade de execução de operações, seja através da adição de atrasos aleatórios até a execução com diferentes frequências de relógio. Da mesma forma, existem propostas de estratégias baseadas em processamento de sinais aplicadas aos traços a fim de extrair informações vazadas pela arquitetura, métodos como correlação de fase (em inglês, Phase Only Correlation - POC), deformação dinâmica de tempo (do inglês, Dynamic Time Warping - DTW) e filtros digitais são usados em fluxos de ataques para estabelecer o realinhamento de traços antes da realização de ataques. Apesar disso, estes métodos são restritos a traços processados com sinal de relógio de mesma frequência ou com pequenas variações, o que por consequência exigem um grande número de traços e seus agrupamentos por frequência de operação. Este trabalho propõe um fluxo de ataque baseado no cálculo da energia dos traços a fim de permitir o realinhamento dos traços independentemente da frequência de operação e assim potencializar a ação dos ataques DPA em arquiteturas protegidas por contramedidas com inserção de aleatoriedade no processamento. Os resultados obtidos destacam que os ataques DPA são mais efetivos quando o cálculo da energia ocorre com segmentos de tamanho aproximado a metade do ciclo médio das frequências de operação dos traços atacados. Em comparação com trabalhos anteriores, o fluxo permite uma redução, no melhor caso, de aproximadamente 93% traços para um ataque bem-sucedido, motivando o uso do fluxo proposto. / In recent decades one of the major concerns of hardware designers dedicated to applications requiring security and secrecy of information such as smart cards are Side Channel Attacks (SCAs). These attacks allow you to relate processed data to electronic devices with physical quantities such as power consumption, electromagnetic radiation emission or processing time. This becomes critical when, for example, cryptographic algorithms are executed and the cryptographic key can be revealed by the attack. Among these attacks, by power consumption and emission of electromagnetic radiation are the most popular, known as Differential Power Analysis (DPA) and Differential Electromagnetic Analysis (DEMA). Since they are not invasive, efficient and leave no traces on the attacked device. These attacks require that the acquisition of traces of power consumption or electromagnetic radiation relating to the execution of cryptographic algorithms be time aligned in order to statistically compare and evaluate consumption or radiation samples for the execution of operations with different data. In the literature there are several countermeasures of these attacks through the randomization of execution operations either by adding random delays to the by changing clock frequencies. Similarly, there are proposals for strategies based on signal processing applied to the traces in order to extract information leaked by the architecture. Methods such as phase correlation (POC), dynamic time warping (DTW) and digital filters are used to realign traces before attacks. Nevertheless, these methods are restricted to traces processed with clock signal of the same frequency or with small variations, and require a large number of traces or their clustering frequency. This work proposes an attack flow based on the calculation of the trace energy in order to allow the realignment independently of the frequency of operation and thus enable the action of the DPA attacks in architectures with countermeasures based on processing randomization. Results show that DPA attacks are more effective when the energy is calculated in segments of approximately half the average cycle of the frequencies of operation of the traces attacked. Compared to previous works, the flow allows a reduction, in the best case, of approximately 93% traces for a successful attack, motivating the use of the proposed flow.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Given the evolution of the data communication field, and the resulting increase of the information flow in data, networks security became a major concern. Modern cryptographic methods are mathematically reliable. However their implementation in hardware leaks confidential information through side-channels like power consumption and electromagnetic emissions. Although performance issues are crucial for a hardware design, aspects of robustness against attacks based on side-channel informations have gained much attention in recent years. This work focuses on hardware architectures based on the RSA public-key algorithm, originally proposed in 1977 by Rivest, Shamir and Adleman. This algorithm has the modular exponentiation as its main operation and it is performed through successive modular multiplications. Because the RSA involves integers of 1024 bits or more, the inherent division of modular multiplications became the main concern. The Montgomery algorithm, proposed in 1985, is a largely used method for hardware designs of modular multiplications, because it avoids divisions and all operations are performed in a multiple-precision context with all terms represented in a numerical base, generally, a power of two. This dissertation proposes a systolic architecture able to perform the Montgomery modular multiplication with multiple-precision arithmetic. Following, an improvement to the systolic architecture is presented, through an architecture that computes the Montgomery multiplication by multiplexing the multi-precision arithmetic processes. The multiplexed architecture is employed in the left-to-right square-and-multiply and square-and-multiply always modular exponentiation methods and is subjected to SPA (Simple Power Analysis) and SEMA (Simple Electromagnetic Analysis) side-channel attacks and robustness aspects are analysed. Different word sizes (numerical bases) are applied as well as different input operands. As an improvement to SPA and SEMA attacks, the power consumption and electromagnetic traces are demodulated in amplitude to eliminate the clock harmonics influence in the acquired traces. Finally, interpretations, conclusions and countermeasure propositions to the multiplexed architecture against the implemented side-channel attacks are presented. / Com a expansão da área de comunicação de dados e o consequente aumento do fluxo de informações, a segurança tem se tornado uma grande preocupação. Apesar dos métodos criptográficos modernos serem matematicamente seguros, sua implementação em hardware tende a apresentar fugas de informações confidenciais por canais laterais, tais como consumo de potência e emissões eletromagnéticas. Embora questões de desempenho sejam cruciais para um projeto de hardware, aspectos de robustez contra ataques baseados em fugas de informações por canais laterais tem ganhado maior atenção nos últimos anos. Neste trabalho, explora-se arquiteturas em hardware voltadas para o algoritmo de chave pública RSA, originalmente proposto em 1977 por Rivest, Shamir e Adleman. Este algoritmo possui como principal operação a exponenciação modular, e esta é calculada através de sucessivas multiplicações modulares. Sendo que o RSA envolve números inteiros da ordem de 1024 bits ou mais, a operação de divisão inerente em multiplicações modulares torna-se o principal problema. O algoritmo de Montgomery, proposto em 1985, é um método bastante utilizado na implementação da multiplicação modular em hardware, pois além de evitar divisões, trabalha em um contexto de precisão múltipla com termos representados por bases numéricas, geralmente, potências de dois. Dentro deste contexto, propõe-se inicialmente uma arquitetura sistólica, baseada nas propriedades de aritmética de precisão múltipla do Algoritmo de Montgomery. Em seguida, apresenta-se uma melhoria para a arquitetura sistólica, através de uma arquitetura que realiza a multiplicação modular de Montgomery voltada à multiplexação dos processos aritméticos. A arquitetura multiplexada é empregada nos métodos de exponenciação modular left-to-right square-and-multiply e square-and-multiply always e é submetida a ataques por canais laterais SPA (Simple Power Analysis) e SEMA (Simple Electromagnetic Analysis) e aspectos de robustez da arquitetura multiplexada são analisados para diversos tamanhos de palavras (base numérica do algoritmo de Montgomery). Como proposta de melhoria aos ataques por canais laterais simples, os traços de consumo de potência e emissão eletromagnética são demodulados em amplitude de modo a eliminar a influência das harmônicas do sinal de clock sobre os traços coletados. Por fim, interpretações e conclusões dos resultados são apresentados, assim como propostas de contra-medidas para a arquitetura multiplexada com relação aos ataques por canais laterais realizados.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The expansion of the data communication, due to the large ow of information that pass through these systems has meant that the security becomes an item of constant concern. Even when considering the efficient encryption systems that exists today, which present relevant mathematical protection, some implementations in hardware of these systems will favor the leak of confidential information through side channels attacks, such as power consumption and electromagnetic radiation. Performance issues have fundamental importance in the design of a physical system, however aspects which make the system robust against side channel attacks has gotten more attention nowadays.This work focuses on hardware architectures based on the RSA public key algorithm, proposed by Rivest, Shamir and Adleman in 1977, which presents the modular exponentiation operation, calculated from several modular multiplications, as main operation. The RSA algorithm involves integers in order of 1024 or 2048 bits, so the division inherent in modular multiplications can become a major problem. In order to avoid these divisions, the Montgomery algorithm, proposed in 1985, appears as an efficient alternative. On this context, this dissertation presents a multiplexed architecture based on the properties of the Montgomery's algorithm. Forwarding, an improvement to this architecture is presented, implemented with the randomization of internal memories accesses, in order to increase system robustness against specialized side-channel attacks. Thus, the implemented architecture is exposed to side channels SPA (Simple Power Analysis) and SEMA (Simple Electromagnetig Analysis) and the aspects of security and robustness of the implemented system are evaluated and presented. / A constante expansão dos sistemas de comunicação de dados devido ao grande fluxo de informações que trafegam por estes sistemas tem feito com que a segurança se torne um item de constante preocupação. Mesmo ao considerar-se os eficientes sistemas de criptografia atuais, os quais apresentam relevante proteção matemática, a implementação em hardware destes sistemas tende a propiciar a fuga de informações confidenciais através de ataques por canais laterais, como consumo de potência e emissão eletromagnética. Mesmo sabendo-se que questões de desempenho tem fundamental importância no projeto de um sistema físico, aspectos que tornem o sistema robusto frente a ataques por canais laterais tem obtido maior atenção nos últimos anos. Neste trabalho apresentam-se arquiteturas implementadas em hardware para o cálculo do algoritmo de chave pública RSA, proposto por Rivest, Shamir e Adleman em 1977, o qual tem como principal operarção a exponenciação modular, calculada a partir de várias multiplicações modulares. Sabendo-se que o algoritmo RSA envolve números inteiros da ordem de 1024 ou 2048 bits, a divisão inerente em multiplicações modulares pode tornar-se o grande problema. A fim de que se evite estas divisões, o algoritmo de Montgomery, proposto em 1985, aparece como uma boa alternativa por também trabalhar em um contexto de precisão múltipla e com números na base numérica de potência de dois. Neste contexto apresenta-se inicialmente uma arquitetura multiplexada, baseada nas propriedades de execução do algoritmo de Montgomery. A seguir apresenta-se uma melhoria a esta arquitetura com a implementação da randomização dos acessos as memórias internas, com o objetivo de aumentar a robustez do sistema frente a ataques por canais laterais especializados. Sendo assim, a arquitetura implementada é submetida a ataques por canais laterais SPA (Simple Power Analysis) e SEMA (Simple Electromagnetig Analysis) e os aspectos de segurança e robustez do sistema implementado são analisados e apresentados.