Made available in DSpace on 2013-08-07T18:42:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000427630-Texto+Completo-0.pdf: 18134696 bytes, checksum: 015c9036f900684ae6a3ea0f2d593c32 (MD5) Previous issue date: 2010 / The last decades have witnessed the growth of the need for secure computing systems for either stocking or processing sensitive information. Currently, the Internet is a primary medium for performing numerous activities such as shopping, banking, stocking personal information, ticket reservation among others. The use of open networks to keep and process such information requires computing systems that may securely deal with confidential information. The design of Systems on Chip (SoCs) that fulfill security requirements requires special communication protocols and the use of cryptography, the science based on arithmetic to hide information. In general, SoCs that use cryptography employ a relatively short text, named cryptographic key, whose secrecy determines the efficiency of the information hiding process. In any cryptosystem, knowing the cryptographic key enables any operation on any information belonging to a given user in a given system. The design of cryptographic algorithms deems to resist to cryptanalysis, the science of breaking encrypted information by exploiting the vulnerabilities of the information hiding process. Although most current cryptographic algorithms are robust to attacks based on the mathematics of cryptography, a new class of cryptanalysis techniques, called Side Channel Attacks (SCAs) allows correlating sensitive information such as cryptographic keys with the physical properties, such as processing time, power consumption and electromagnetic radiation, of the electronic devices supporting such applications. The traditional design flow that uses the synchronous paradigm and CMOS technology favors the leak of information through side channels. The literature abounds with proposals to make cryptosystems robust against SCA attacks. Among the alternatives available to obtain secure cryptographic systems stand out paradigms such as the Globally Asynchronous Locally Synchronous (GALS) and the use of fully asynchronous systems. This thesis proposes a new GALS architecture to enhance the robustness of cryptographic algorithms. It assumes the use of pipelining and asynchronous communication between each pair of neighbor stages. The approach achieves robustness through a combination of hardware replication into pipeline stages, asynchronous communication between such stages and independent variation of operating frequencies at each stage of the pipeline. The results show increased robustness against power consumption and electromagnetic radiation analysis. Moreover, the proposed and prototyped architectures display a significant data throughput improvement, at the cost of increased latency and area, the later caused by the hardware replication strategy. Compared to state-of-art asynchronous logic secure cryptography, the area costs achieved in this thesis are smaller than, or in the worst case compatible to the best proposals, proving that this is an interesting alternative against SCA attacks. / As últimas décadas presenciam uma necessidade crescente por sistemas computacionais que garantam o sigilo de informações, seja durante o processamento ou armazenamento destas. Hoje são comuns atividades como compras, transações bancárias, consulta a informações pessoais e reserva de passagens usando a Internet. O uso de redes abertas exige a transmissão protegida de dados confidenciais. O projeto de sistemas integrados em um único chip (em inglês, SoCs) que atendam a restrições de segurança requer protocolos especiais de comunicação e o emprego de criptografia, a ciência que se baseia na aritmética para ocultar informações. Em geral, SoCs que usam criptografia utilizam um texto relativamente curto, denominado chave criptográfica, cujo segredo condiciona a eficiência do processo de esconder informações. Em todo sistema criptográfico moderno, conhecer a chave criptográfica equivale a ser capaz de efetuar qualquer operação sobre o conjunto de informações de um dado usuário em um dado sistema. Algoritmos de criptografia são desenvolvidos para resistir à criptoanálise, a ciência de violar textos encriptados explorando vulnerabilidades do processo de ocultação de informação. Embora a maioria dos algoritmos atuais seja robusta a ataques baseados na matemática da criptografia empregada, uma nova classe de técnicas de criptoanálise pode ser usada contra suas implementações. Estes são os chamados Ataques por Canais Escondidos ou Laterais (do inglês, Side Channel Attacks, ou SCA), que permitem correlacionar informações sigilosas tal como uma chave criptográfica com propriedades físicas tais como tempo de processamento, consumo de potência e radiação eletromagnética de dispositivos eletrônicos. O fluxo tradicional de projeto que usa o paradigma síncrono e a tecnologia CMOS favorece a fuga de informações por canais escondidos.Várias propostas para imunizar sistemas criptográficos contra ataques SCA existem na literatura. Dentre as alternativas para a obtenção de sistemas criptográficos seguros, destacam-se paradigmas de projeto específicos tais como o Globalmente Assíncrono e Localmente Síncrono (GALS) e o completamente assíncrono. Esta tese propõe uma nova arquitetura GALS para melhorar a robustez de algoritmos criptográficos. Pressupõe-se o emprego de técnicas pipeline e de comunicação assíncrona entre estágios. A robustez é obtida através da combinação de replicação de hardware em estágios pipeline, comunicação assíncrona entre estes estágios e variação independente da freqüência de operação em cada estágio. Os resultados obtidos demonstram um aumento da robustez contra análises de consumo de potência e de radiação eletromagnética nas arquiteturas propostas. Além disso, as arquiteturas apresentam um aumento significativo da vazão de dados, ao custo de um aumento da latência de processamento e da área do circuito, este último provocado pela replicação de hardware. Comparado com o estado da arte em propostas de lógica assíncrona segura, o custo em área mostra-se inferior ou no pior caso compatível, demonstrando que a proposta é uma alternativa interessante de solução para neutralizar ataques SCA.

Made available in DSpace on 2013-08-07T18:53:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000402409-Texto+Completo-0.pdf: 542349 bytes, checksum: cef9c90e5ad6eb4a7f650d872b28d02f (MD5) Previous issue date: 2008 / The main objective on this thesis is to show the creation and implementation of a solution composed by navigational, positional components acting together with cryptography modules and software. This implementation will use the Global Positioning System (GPS), that in its beginning was used mainly for military objectives, this system provide geographic, cartographic and geodesic information as: latitude, longitude, velocity, time and height. Some encryption algorithms mode as asymmetric and symmetric were studied, also the GPS system and its variables to better describe this work. In this proposal was used the AES (Rijndael) encryption for its security and desempenho certi ed by the NIST department. To validate this work a GPS receiver was used to make eld tests to check the precision and accuracy of the receiver and this proposal. The obtained results show that this proposal that uses geodesic coordinates and cryptography and cartography coordinates too are e cient in this cryptographic system proposed. As in this proposal the data transmitted has more security because they only can be decoded in the right coordinates or geodesic variables, that the transmitter set up. Overall this work creates a new way to encrypt and send information, that is simple, e ective and can use the GPS system or another, and several kind of cryptographic systems. Indeed the message only can be decoded in the right coordinates or geodesic variables. This open a new way to communicate with new products and solutions. Creating by this new possibilities for business, security and society. / O objetivo principal desta dissertação é mostrar a criação e a implementação de uma solução composta por componentes de navegação e posicionamento atuando em conjunto com módulos de criptografia e softwares adicionais. Esta extensão será através da utilização do sistema Global Positioning System (GPS), que é um sistema desenvolvido inicialmente para uso militar ao qual prove informações cartográficas fundamentais como: coordenadas geográficas, velocidade, altura, hora. Foram estudados algorítimos de criptografia simétricos e assimétricos e além disso foi realizada uma descrição detalhada do sistema GPS que fundamentou o presente trabalho. Neste trabalho foi escolhido o padrão AES, ao qual é de domínio público, sem royalties e foi escolhido num processo publico e rigoroso pelo NIST como padrão para criptografia. Para validação do presente trabalho utilizou-se um equipamento real de GPS, com o qual foram realizados testes de campo. Nestes testes foi determinada a precisão efetiva destes equipamentos bem como a validação da proposta em funcionamento de campo. Os resultados obtidos demonstraram que a técnica de utilização de coordenadas geodésicas globais de GPS bem como as coordenadas cartográficas comuns são e cientes no processo de criptografia proposto. Criando desta forma um novo modelo de criptografia. Deste modo, este trabalho apresenta como grande inovação a possibilidade de estabelecer uma nova forma de criptografia. E ao mesmo tempo simples, dado que utiliza o sistema GPS já popularizado e no entanto extremamente e ciente pois a mensagem somente é acessível quando o destinatário estiver em um determinado local cujo conhecimento pode ser usualmente restrito. Sendo assim, a partir deste trabalho, abre-se uma nova forma de realizar a codi cação de mensagens de cunho sigiloso, com um ampla gama de novas possibilidades.

Made available in DSpace on 2014-08-19T02:01:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000460263-Texto+Completo-0.pdf: 1997938 bytes, checksum: db8ee989e5494026f04f8cc600c619a5 (MD5) Previous issue date: 2014 / In the last years, the industry has developed and put in the market a plethora of electronic devices that are able to access the Internet and other networks. This is making easier to send, receive, share and store all types of information at any moment, from anywhere. Thus, there is a huge amount of important information crossing the Internet and there are malicious entities and/or individuals trying to capture this information to steal or exploit it in order to obtain financial or strategic gains or to cause damage to other people. There are many ways to protect such information, the most relevant of which is the use of cryptog-raphy. There are many cryptographic algorithms in use nowadays, such as DES, 3DES, AES and RSA, which are usually implemented in software. This leads to low performance, and low security levels for several applications. Therefore, it is necessary to create solutions that provide higher security levels and that at the same time improve cryptography performance. This work proposes and presents a secure communication system that can be inte-grated to embedded devices or computers. The proposed secure communication system developed in this work is based on Elliptic Curve Cryptography (ECC), which is a cryptography scheme that has being studied and improved over the last decade by many researchers and is indicated as one of the most secure among cryptographic algorithms. This work describes in detail the implementation of ECC operations in hardware, trying to provide higher performance than most works available in the literature. Another goal of the work is that even critical embedded systems could use the proposed scheme to build a secure communication system. This work capitalizes on the state of the art in ECC operations and implements these in hardware. The result is a reconfigurable soft IP core for ECC, which can be synthesized for either FPGAs or ASICs. The validation of the soft core comprises the development of a complete communication system that can create a secure communication link between two computers or similar devices using ECC to encrypt all exchanged information. The soft IP core for ECC operations supports any of the five Koblitz curves recommended by the National Institute of Standards and Technology (NIST) and the Standards for Efficient Cryptography Group (SECG). However, the IP core can also be easily adapted to support other elliptic curves. An overall secure communication system was developed, implemented and prototyped in a development board with a Xilinx Virtex 5 FPGA. Furthermore, the work demonstrates the advantages and gains in performance when compared to software implementations of similar systems. / Nos últimos anos, a indústria tem desenvolvido e colocado no mercado uma grande quantidade de dispositivos que são capazes de acessar a Internet e outras redes. Isso está tornando mais fácil enviar, receber, compartilhar e guardar todo tipo de informação a qualquer momento de qualquer lugar. Assim, há uma enorme quantidade de informações importantes passando pela Internet, mas há também entidades e/ou indivíduos maliciosos tentando capturar essas informações para roubar ou explorar isso visando obter ganhos financeiros ou estratégicos, ou causar algum dano a outras pessoas. Apesar de existir muitas maneiras de proteger tais informações, a mais relevante é o uso de criptografia. Há muitos algoritmos criptográficos em uso atualmente, tais como DES, 3DES, AES e RSA, que normalmente são implementados em software. Eles atingem baixo desempenho e proveem baixos níveis de segurança para muitas aplicações. Portanto, é necessário criar so-luções que disponibilizem maiores níveis de segurança e ao mesmo tempo melhorem o desempenho de criptografar. Este trabalho propõe um sistema de comunicação seguro que pode ser integrado a dispositivos embarcados ou computadores. O sistema de comunicação seguro proposto e desenvolvido neste trabalho é baseado em Criptografia por Curvas Elípticas (ECC), um esquema de criptografia que tem sido estudado e melhorado na última década por muitos pesquisadores, e é indicado como um dos algoritmos de criptografia dos mais seguros. Este trabalho descreve em detalhes a implementação das operações do ECC em hardware, com alvo em prover maior desempenho do que a maioria dos trabalhos disponíveis na literatura. Outro objetivo do trabalho é que mesmo sistemas embarcados críti-cos possam usar o esquema proposto para criar sistemas de comunicação seguros. Este trabalho utilizou o estado da arte operações de ECC para gerar implementações em hardware. O resultado é um núcleo de propriedade intelectual (IP) flexível para ECC que pode ser sintetizado para FPGAs ou ASICs.A validação deste núcleo incluiu o desenvolvimento de um sistema de comunicação completo que pode criar um enlace de comunicação segura entre dois computadores ou dispositivos similares usando ECC para criptografar todas as informações trocadas. O núcleo IP de ECC dá suporte a qualquer uma das 5 curvas elípticas de Koblitz recomendadas pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e aos Padrões para Grupo de Criptografia Eficiente (SECG). Entretanto, o núcleo IP pode também ser facilmente adaptado para dar suporte a outras curvas elípticas. Um sis-tema de comunicação segura foi desenvolvido, implementado e prototipado em uma placa de desenvolvimento com FPGA Virtex 5 da Xilinx. Além disso, o trabalho demonstra as vantagens e os ganhos de desempenho obtidos quando comparado com implementações em software de sistemas similares.