Security systems are gaining increasing importance in recent times to protect life and valuable resources. Many advanced methods of providing security have been developed and are in use in the last few decades. Of these, one important area is the security system required for military/strategic applications, which has advanced greatly. But, such systems being complex and expensive are useful in high-end applications only. However, with the recent progress in technology and the growing need for increased security in civilian and other applications, many low cost solutions for security systems have now emerged. As a result, many applications where only a simple intruder alarm was the means of providing security in earlier days are now able to associate with more advanced and foolproof access control techniques. And the field of Access Control Systems (ACSs) using modern approaches has become a major means of providing security in all applications, both military and civilian.

<p>This master’s thesis investigates the technology and security awareness associated with wireless networks (WLAN). It has been stated by the media and theories that many wireless networks are unprotected. This has sparked an interest to investigate the phenomenon in the Jonkoping region. The study is based on the following research questions:</p><p>- What security weaknesses are present with the WLAN-technology and how can these be avoided?</p><p>- How does the wireless infrastructure in the Jonkoping region look like?</p><p>- Why do companies implement the WLAN-technology?</p><p>- Are the companies aware of the risks involved with WLAN?</p><p>We conducted this study in three steps; the first step was to hack a wireless network in a controlled environment in order to investigate the weaknesses of the commonly used security measures. The second step of the study was to scan the wireless networks in Jonkoping, Gnosjo and Nassjo in order to create a picture of the wireless infrastructure of the region. The third step of the study was to contact companies that we found in the second step for interviews to investigate their awareness of the technology and its weaknesses.</p><p>We found that WLANs and their security measures have weaknesses. The commonly used WEP encryption can quite easily be broken and can lure users into a false sense of security. The study shows that companies are aware of this weakness, but use the encryption be-cause it offers a good level of usability and security. It is a compromise between usability and security. Usability is one of the major factors for companies when implementing wireless networks, companies strive for mobility, easy access and ease of use, which the WLAN technology offers. This has lead to an extended wireless infrastructure in cities within the region where one, with ease, can find wireless networks outside buildings. We have noticed an increase in the security awareness as our empirical findings differ from earlier research conducted in other cities. When these studies are compared you can see a trend where the number of unprotected networks decreases. Our contribution to increased wireless security is a checklist of possible security measures to minimize the security threats.</p> / <p>Denna magisteruppsats undersöker tekniken och säkerhetsmedvetandet gällande trådlösa nätverk (WLAN). Då det tidigare uppmärksammats i media och teori att många trådlösa nätverk står oskyddade har detta skapat intresse att undersöka fenomenet i Jönköpingsregionen. Studien baseras på följande frågeställningar:</p><p>- Vilka säkerhetsluckor finns i WLAN och hur kan dessa undvikas?</p><p>- Hur ser WLAN-infrastrukturen ut i Jönköpingsregionen?</p><p>- Varför implementerar företag WLAN-tekniken?</p><p>- Är företag medvetna om riskerna med trådlösa nätverk?</p><p>För att skapa en helhetsbild har vi genomfört studien i tre steg varav vi, i det första steget, genomfört dataintrång i en kontrollerad miljö för att undersöka svagheterna med säkerhetsfunktionerna som används i trådlösa nätverk. I det andra steget undersökte vi med hjälp av bärbar dator trådlösa nätverk i Jönköping, Gnosjö och Nässjö. Detta för att skapa oss en uppfattning om hur WLAN-infrastrukturen ser ut i dagsläget. Steg tre innebar intervjuer med företag som vi funnit i samband med steg två rörande deras medvetenhet om tekniken och dess brister.</p><p>Teorin och vår empiri gav oss underlag att dra slutsatser utifrån våra frågeställningar. Vi fann att WLAN och dess säkerhetsfunktioner har vissa sårbarheter. Den mest förekommande krypteringstekniken, WEP, kan dekrypteras tämligen enkelt och kan vagga in användarna i en falsk säkerhet. Studien visar att företagen är medvetna om detta, men att det handlar om en medveten kompromiss mellan användarvänlighet och säkerhet. Användarvänligheten står till grund för varför företagen väljer att implementera den trådlösa tekniken. Företag eftersträvar mobilitet, smidighet och enkel access, vilket den trådlösa tekniken erbjuder. Detta har lett till en utökad trådlös infrastruktur i städer runtom i regionen där man med lätthet kan hitta trådlösa nätverk utanför byggnader. Vi har noterat ett ökat säkerhetsmedvetande då våra empiriska resultat skiljer sig något från tidigare undersökningar i andra städer. När dessa ställs mot varandra anar man en trend där antalet oskyddade trådlösa nätverk minskar. Vårt bidrag till ökad trådlös säkerhet är en checklista med möjliga åtgärder för att minimera säkerhetsriskerna.</p>

<p>In the area of computer network security, standardization work has been conducted for several years. However, the sub area of access control and authorization has so far been left out of major standardizing. </p><p>This thesis explores the ongoing standardization for access control and authorization. In addition, areas and techniques supporting access control are investigated. Access control in its basic forms is described to point out the building blocks that always have to be considered when an access policy is formulated. For readers previously unfamiliar with network security a number of basic concepts are presented. An overview of access control in public networks introduces new conditions and points out standards related to access control. None of the found standards fulfills all of our requirements at current date. The overview includes a comparison between competing products, which meet most of the stated conditions. </p><p>In parallel with this report a prototype was developed. The purpose of the prototype was to depict how access control could be administered and to show the critical steps in formulating an access policy.</p>

Attribute-based encryption is a promising cryptographic primitive that allows users to encrypt data according to specific policies on the credentials of the recipients. For example, a user might want to store data in a public server such that only subscribers with credentials of specific forms are allowed to access them. Encrypting the data once for each party is not only impractical but also raises important privacy issues. Therefore, it would be beneficial to be able to encrypt only once for all desired parties. This is achievable by attribute-based encryption schemes, which come into several types and are applicable to a wide range of settings. Several attribute-based encryption schemes have been proposed and studied with a wide range of characteristics. For example, initial constructions proved to be significantly more challenging than constructing traditional public-key encryption systems and they imposed restrictions on the expressiveness of the Boolean formulas used during encryption. For several proposed schemes the total number of attributes was fixed during setup, while others allowed any string to be used as attribute ("large universe" constructions), but with considerable weaker security guarantees. Furthermore, these first constructions, although polynomial time, were impractical for wide deployment. This thesis is motivated by two main goals for ABE schemes: robustness and efficiency. For robustness, we propose a novel construction that achieves strong security guarantees and at the same time augments the capabilities of previous schemes. More specifically, we adapt existing techniques to achieve leakage-resilient ABE schemes with augmented robustness features making no compromises on security. For the second direction, our goal is to create practical schemes with as many features as possible, such as "large universe" and multi-authority settings. We showcase these claims with working implementations, benchmarks, and comparisons to previous constructions. Finally, these constructions lead us to new directions that we propose and intend to investigate further. / text

Πολλά πρότυπα ασφαλούς επικοινωνίας, όπως το secure shell (SSH), IP security (IPsec), καθώς και διάφορες μορφές κρυπτογράφησης e-mail δημιουργήθηκαν για να προστατεύουν τις πληροφορίες κατά τη μεταφορά, διασφαλίζοντας το κανάλι επικοινωνίας. Ωστόσο, γίνεται αντιληπτό ότι τα δεδομένα σε αποθήκευση (data at rest) είναι επίσης ευάλωτα σε επιθέσεις και πρέπει να προστατευτούν. Το πρότυπο IEEE P1619, το οποίο έχει προταθεί από το IEEE, προσδιορίζει τα βασικά στοιχεία μιας αρχιτεκτονικής, η οποία παρέχει ασφάλεια σε sector-level-random-access διαμοιραζόμενα μέσα αποθήκευσης, επιλέγοντας ως το καταλληλότερο mode λειτουργίας το Electronic codebook (ECB). Βασικό μειονέκτημα αυτού του τρόπου κρυπτογράφησης είναι ότι κατά το ECB mode το ίδιο plaintext παράγει πάντα (κρυπτογραφείται) το ίδιο ciphertext, δημιουργώντας την ανάγκη για συχνή αλλαγή στο συμμετρικό κλειδί. Μια τέτοια πρακτική όμως δεν θα αποδίδει λόγω του απαιτούμενου χρόνου για την επέκταση των νέων κλειδιών. Το πρόβλημα αυτό αντιμετωπίζει το IEEE P1619, κάνοντας χρήση της θέσης (location) των δεδομένων ως την επιθυμητή μεταβαλλόμενη τιμή κλειδιού, εφαρμόζοντας block-cipher αλγόριθμους κρυπτογράφησης. Το νέο αυτό πρότυπο έχει προσελκύσει την προσοχή εταιριών, ως μια καλή λύση για τις απαιτήσεις των καταναλωτών για υψηλό επίπεδο ασφάλειας των δεδομένων σε συσκευές αποθήκευσης. Πρόσφατες ερευνητικές εργασίες ερευνούν ή/και παρουσιάζουν διάφορες αρχιτεκτονικές για την υλοποίηση του προτύπου σε υλικό (hardware), με στόχο την υιοθέτησή τους σε μελλοντικά προϊόντα. Οι προτεινόμενες προσεγγίσεις στοχεύουν στην αξιοποίηση είτε πόρων του υπολογιστή (προσεγγίσεις λογισμικού) είτε ειδικού σκοπού υλικού, στοχεύοντας σε διαφορετικές απαιτήσεις, ανάλογων της εφαρμογής. Η εργασία αυτή επικεντρώνεται σε ένα Narrow-block Tweak-able σχήμα κρυπτογράφησης (XTS-AES) και διερευνά διάφορες αρχιτεκτονικές που προσφέρουν μια ποικιλία χαρακτηριστικών. Αυτή είναι η πρώτη προσπάθεια διερεύνησης αρχιτεκτονικών προσεγγίσεων (υφιστάμενων και προτεινόμενων), με σκοπό να αναδειχθεί η καταλληλότερη αρχιτεκτονική για μια ποικιλία εφαρμογών. Το βασικό χαρακτηριστικό των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών είναι η μεγιστοποίηση της αξιοποίησης των πόρων που υλοποιούν το IEEE P1619, ώστε να επιτευχθεί η υψηλότερη απόδοση, λαμβάνοντας υπόψη διάφορα κριτήρια σχεδιασμού, όπως είναι η υψηλή ταχύτητα, η μικρή επιφάνεια, το χαμηλό κόστος και η σχεδιαστική πολυπλοκότητα. / A standard for the protection of data in shared storage media has been proposed by IEEE, the IEEE P1619. It specifies the fundamental elements of an architecture that provides security in block-based shared storage media applying block-cipher encryption algorithms to blocks of data. The newly presented standard has attracted the attention of the market vendors, as a good solution to the demands of the consumers for higher security levels in storage devices. The manufacturers have already developed future platforms based on IEEE P1619. Recent research works introduced various approaches targeting their adoption in future products. The proposed approaches are aiming to exploit either computer resources (software approaches) or special purpose hardware. This work focuses on the Narrow-block Tweakable encryption scheme (XTS-AES transform) and explores various architectures offering a variety of characteristics to the final implementation. This is the first, to the authors knowledge, attempt to explore the various architecture approaches that have been proposed until now and additionally introduce new ones, with an aim to highlight the appropriate architecture for a variety of applications. The key feature of the proposed architectures is parallelism, with respect to data block processing. The target is to exploit in full the resources of the core(s) implementing the IEEE P1619 and achieve the highest performance, respecting various design criteria as low cost, and/or design complexity. Basic details regarding IEEE P1619 and its dominant unit (the XTS-AES transform) are offered, a summary of previous works is presented and several issues are considered for potential optimization of the system architecture. Novel architectures are introduced, exploring time-scheduling of the processes to be performed and the characteristics of the various architectures are analyzed and compared.

Στην παρούσα διατριβή αντιμετωπίζουμε το πρόβλημα της σχεδίασης ασφαλών δικτύων δεδομένων. Η προσέγγιση που ακολουθούμε είναι συνθετική (bottom up). Εκκινώντας από τα απλά δομικά στοιχεία της ασφάλειας, δηλαδή τους αλγόριθμους και πρωτόκολλα κρυπτογράφησης, δημιουργούμε όλο και πιο σύνθετες δομές ασφάλειας, ώστε να καταλήξουμε σε μία ολοκληρωμένη πρόταση αρχιτεκτονικής ασφάλειας για δίκτυα ενσωματωμένων συστημάτων. Αρχικά εξετάζονται θέματα υλοποίησης αλγορίθμων κρυπτογράφησης. Δίνεται έμφαση σε περιβάλλοντα περιορισμένων πόρων. Παρουσιάζουμε την CryptoPalm, μία βιβλιοθήκη κρυπτογραφίας που αναπτύξαμε για συστήματα βασισμένα στο λειτουργικό σύστημα PalmOS. Εξετάζουμε κατόπιν την ανθεκτικότητα του πρωτοκόλλου ταυτοποίησης Fiat-Shamir σε περιβάλλοντα όπου εισάγονται εσκεμμένα λάθη στους κρυπτογραφικούς υπολογισμούς. Στη συνέχεια εισάγεται η καινοτόμος προσέγγιση της χρήσης τυχαιότητας στην κρυπτογραφία και προτείνεται ένα νέο πρωτόκολλο ασφαλούς επικοινωνίας, το οποίο παρέχει τα επιθυμητά χαρακτηριστικά ασφάλειας με χαμηλό κόστος. Κάνουμε μία μελέτη περιπτώσεων (case study) για δημοφιλείς αρχιτεκτονικές δικτύων (Bluetooth και Internet) και παρουσιάζουμε ένα σύνολο πρωτότυπων επιθέσεων που αναπτύξαμε και προτείνουμε κατά περίπτωση μέτρα για την αντιμετώπιση αυτών των απειλών. Η διατριβή ολοκληρώνεται με την εισαγωγή μίας πρωτότυπης αρχιτεκτονικής για το σχεδιασμό ασφαλών δικτύων, η οποία είναι σε θέση να αντιμετωπίσει τα προβλήματα που παρουσιάζουν οι υπάρχουσες αρχιτεκτονικές. / In this thesis we address the problem of designing secure data networks. The approach is bottom-up. Starting from primitive building blocks of security e.g., algorithms and cryptographic protocols, we build more and more complex security building blocks, finally reaching in a complete security architecture for embedded systems networks. Initial focus is on implementation issues of cryptographic algorithms with emphasis on resource-limited environments. We present CryptoPalm, a cryptographic library we developed for systems based on PalmOS operating system. Then, we study the security of the Fiat-Shamir authentication protocol in environments where faults are deliberately injected during cryptographic computations. As a next step, we introduce the novel approach of using randomness in cryptography; we propose a new secure communication protocol based on randomness. This protocol achieves the desired security characteristics with low implementation cost. We present a case study of popular network security architectures (namely Bluetooth and Internet) and a set of original attacks we developed. We propose countermeasures for each fighting back these attacks. The thesis concludes by introducing a novel architecture for designing secure networks. The proposed architecture addresses the problems arising in current security architectures. Communication networks and especially the Internet are so widely accepted and used even from governments and large corporations that is becoming part of their critical infrastructure. Such a use introduces stringent security requirements that a network designer must fulfill. In contrast with pure telecommunication networks, data networks, and especially the Internet, are characterized by lack of a legal framework of operation. Under these circumstances, addressing network security is a rather hard problem. Proposed solutions are mainly based on cryptographic techniques. In this thesis we address the problem of designing secure data networks. The approach is bottom-up. Starting from primitive building blocks of security e.g., algorithms and cryptographic protocols, we build more and more complex security building blocks, finally reaching in a complete security architecture for embedded systems networks. Initial focus is on implementation issues of cryptographic algorithms with emphasis on resource-limited environments. We present CryptoPalm, a cryptographic library we developed for systems based on PalmOS operating system. Then, we study the security of the Fiat-Shamir authentication protocol in environments where faults are deliberately injected during cryptographic computations. As a next step, we introduce the novel approach of using randomness in cryptography; we propose a new secure communication protocol based on randomness. This protocol achieves the desired security characteristics with low implementation cost. We present a case study of popular network security architectures (namely Bluetooth and Internet) and a set of original attacks we developed. We propose countermeasures for each fighting back these attacks. The thesis concludes by introducing a novel architecture for designing secure networks. The proposed architecture addresses the problems arising in current security architectures.

Από τότε που ολοένα και περισσότερα εμπιστευτικά δεδομένα ανταλλάσσονται με ηλεκτρονικό τρόπο η ανάγκη για προστασία των δεδομένων αυτών γίνεται ολοένα και μεγαλύτερη. Στις πραγματικές εφαρμογές όπου χρησιμοποιούνται συστήματα κρυπτογραφίας παρατηρούνται νέες τεχνικές επίθεσης πέρα από αυτές που στηρίζονται στην μαθηματική ανάλυση. Εφαρμογές τόσο σε υλικό όσο και σε λογισμικό, παρουσιάζουν ένα αχανές πεδίο από επιθέσεις. Οι Side-Channel-Attacks εκμεταλλεύονται πληροφορίες που διαρρέουν από μια συσκευή κρυπτογράφησης. Μάλιστα από την μέρα που εμφανίστηκε μία συγκεκριμένη μέθοδος επίθεσης, προσελκύει ολοένα και μεγαλύτερο ενδιαφέρον. Πρόκειται για την Διαφορική Ανάλυση Ισχύος (Differential Power Analysis (DPA)) που πρωτοπαρουσιάστηκε από την Cryptography Research. Η DPA χρησιμοποιεί την πληροφορία που διαρρέει από μια συσκευή κρυπτογράφησης, και πρόκειται για την κατανάλωση ισχύος. Μία λιγότερο δυνατή παραλλαγή της DPA είναι η Simple Power Analysis (SPA), που παρουσιάστηκε επίσης από την Cryptography Research. Βασικός στόχος της DPA είναι να μετρηθεί με ακρίβεια η κατανάλωση ισχύος του συστήματος. Έπειτα απαιτείται η γνώση του αλγόριθμου που εκτελείται από την συσκευή, ενώ τέλος απαραίτητο είναι ένα σύνολο από γνωστά κρυπτογραφήματα ή αυθεντικά μηνύματα. Η στρατηγική της επίθεσης απαιτεί την μέτρηση πολλών δειγμάτων και στην συνέχεια την διαίρεσή τους σε δύο ή περισσότερα σύνολα με βάση ενός κανόνα . Εν συνεχεία στατιστικές μέθοδοι χρησιμοποιούνται για την επιβεβαίωση του κανόνα αυτού. Αν και μόνο αν ο κανόνας αυτός είναι σωστός τότε μπορούμε να παρατηρήσουμε αξιοπρόσεκτες τιμές στην στατιστική ανάλυση. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι να καθορίσουμε με περισσότερες λεπτομέρειες την DPA, να αναπτύξουμε ένα περιβάλλον που θα πραγματοποιεί την επίθεση αυτή, σε μια υλοποίηση του DES (Data Encryption Standard) αλγόριθμου κρυπτογράφησης με την χρήση FPGA Board και να γίνει πειραματική εκτίμηση. / -

Στη παρούσα διδακτορική διατριβή του κ. Χαράλαμπου Μιχαήλ με τίτλο «Βελτιστοποίηση Επαναπροσδιοριζόμενων Αρχιτεκτονικών για Απόδοση και Κατανάλωση Ενέργειας για Κρυπτογραφικές Εφαρμογές και Εφαρμογές Κυριαρχούμενες από Δεδομένα» προτείνονται, αναπτύσσονται και μελετώνται αποδοτικές τεχνικές βελτιστοποίησης της απόδοσης ή/και της κατανάλωσης ενέργειας για κρυπτογραφικές εφαρμογές καθώς και εφαρμογές κυριαρχούμενες από δεδομένα που υλοποιούνται σε ενσωματωμένες πλατφόρμες ειδικού σκοπού. Συνολικά, οι προτεινόμενες τεχνικές μελετήθηκαν για τις διάφορες παραμέτρους που έχουν και συνολικά οδήγησαν στην διαμόρφωση της προτεινόμενης γενικής μεθοδολογίας βελτιστοποίησης των κρυπτογραφικών και λοιπών εφαρμογών κυριαρχούμενων από δεδομένα. Τα θεωρούμενα συστήματα στοχεύουν σε αριθμητικά απαιτητικές εφαρμογές και προέκυψαν εντυπωσιακές βελτιστοποιήσεις ειδικά δε στην απόδοση συγκεκριμένων κρυπτογραφικών εφαρμογών όπως οι συναρτήσεις κατακερματισμού και ανάμειξης (hash functions) και κατά συνέπεια και των αντίστοιχων κρυπτογραφιών μηχανισμών στους οποίους αυτές χρησιμοποιούνται. Πρωταρχικός σχεδιαστικός στόχος είναι η αύξηση της ρυθμαπόδοσης σχεδιάζοντας κρυπτογραφικές εφαρμογές για διακομιστές υπηρεσιών ή γενικότερα εφαρμογές κυριαρχούμενες από δεδομένα. Λαμβάνοντας επίσης υπόψη το γεγονός ότι η κρυπτογραφία αποτελεί σήμερα –πιο πολύ παρά ποτέ- ένα αναγκαίο και αναντικατάστατο συστατικό της ανάπτυξης ηλεκτρονικών υπηρεσιών μέσω διαδικτύου και της εν τέλει μετάβασης της ανθρωπότητας στο νέο οικονομικό μοντέλο της «ηλεκτρονικής οικονομίας» είναι προφανής η σημασία της προτεινόμενης μεθοδολογίας και των αντίστοιχων σχεδιασμών που προκύπτουν. Η ολοκλήρωση των κρυπτογραφικών συστημάτων ασφαλείας σε υλικό είναι σχεδόν αναγκαία για τα ενσωματωμένα συστήματα κρυπτογράφησης. Τα πλεονεκτήματα που έχουμε είναι η υψηλή απόδοση, η μειωμένη κατανάλωση ισχύος με μειονέκτημα το κόστος της ολοκλήρωσης σε υλικό. Νέες τεχνολογίες όπως FPGAs (Field-Programmable Gate Array), επιτρέπουν την πιο εύκολη ολοκλήρωση του αλγορίθμου και την ανανέωση - αντικατάστασή του από νεώτερους-βελτιωμένους. Ήδη τα τελευταίας γενιάς FPGAs τείνουν να έχουν τις ιδιότητες των ASICs (Application-Specific Integrated Circuit) -μειωμένη κατανάλωση ισχύος, υψηλή απόδοση, και ρύθμιση της λειτουργικότητας ανάλογα την εφαρμογή. Ένα άλλο πλεονέκτημα των υλοποιήσεων σε υλικό είναι πως από την φύση τους είναι λιγότερο ευαίσθητο σε επιθέσεις κρυπτανάλυσης ενώ μπορούν ευκολότερα να ενσωματώσουν πολιτικές αντιμετώπισης κρυπταναλυτικών τεχνικών . Ερευνητική Συνεισφορά Ανάπτυξη και μελέτη τεχνικών βελτιστοποίησης που οδηγούν σε σχέδια με πολύ υψηλή ρυθμαπόδοση και περιορισμένο κόστος σε επιφάνεια ολοκλήρωσης για κρυπτογραφικές και υπολογιστικά απαιτητικές εφαρμογές Αναπτύσσονται και αναλύονται όλες οι επιμέρους τεχνικές που αξιολογήθηκαν κατά την εκπόνηση της εν λόγω διδακτορικής διατριβής και χρησιμοποιούνται για την βελτιστοποίηση των σχεδίων σε υλικό. Μελετώνται οι παράμετροι εφαρμογής ανάλογα με την υφή της κάθε τεχνικής και τα τιθέμενα σχεδιαστικά κριτήρια, τα οποία εξαρτώνται από τα επιθυμητά χαρακτηριστικά των σχεδίων σε υλικό καθώς και από τις εν γένει προδιαγραφές τους ανάλογα με τον εκάστοτε σχεδιαστικό στόχο. Ανάπτυξη και μελέτη «πάνω-προς-τα-κάτω» μεθοδολογίας βελτιστοποίησης των σχεδίων που οδηγούν σε πολύ υψηλή ρυθμαπόδοση και περιορισμένο κόστος σε επιφάνεια ολοκλήρωσης για κρυπτογραφικές και υπολογιστικά απαιτητικές εφαρμογές Αναπτύσσεται ολοκληρωμένη και δομημένη συνολική μεθοδολογία βελτιστοποίησης σχεδίων, με βάση τις επιμέρους τεχνικές που παρουσιάστηκαν και αναλύθηκαν, που οδηγεί σε γενική μεθοδολογία η οποία είναι εφαρμόσιμη σε όλες σχεδόν τις συναρτήσεις κατακερματισμού για τις οποίες καταφέρνει να παράγει σχέδια υψηλής απόδοσης με περιορισμένο κόστος σε επιφάνεια ολοκλήρωσης. Ταυτόχρονα, αναλύονται τα θεωρητικώς αναμενόμενα οφέλη από την κάθε επιμέρους τεχνική βελτιστοποίησης καθώς και από την συνολική εφαρμογή της μεθοδολογίας βελτιστοποίησης του σχεδιασμού σε υλικό ανάλογα με την επιλεχθείσα τιμή των παραμέτρων της κάθε εφαρμοζόμενης τεχνικής. Ανάπτυξη σχεδίων σε υλικό πολύ υψηλής βελτιστοποίησης για τις συναρτήσεις κατακερματισμού SHA-1 και SHA-256 Παρουσιάζεται η διαδικασία βελτιστοποίησης του σχεδιασμού σε υλικό των δυο πιο σημαντικών συναρτήσεων κατακερματισμού αναφέροντας σε κάθε περίπτωση τα επιμέρους κέρδη, καθώς και την συνολική βελτίωση που επιτεύχθηκε με την εφαρμογή της προτεινόμενης μεθοδολογίας. Οι δύο συναρτήσεις είναι οι SHA-1 (η πιο δημοφιλής συνάρτηση κατακερματισμού στις σημερινές εφαρμογές) και SHA-256 (που αναμένεται να χρησιμοποιηθεί ευρύτατα στο μέλλον παρέχοντας υψηλότερο επίπεδο ασφάλειας). Υλοποιήσεις σε συγκεκριμένες επαναπροσδιοριζόμενες αρχιτεκτονικές συγκρίνονται με αντίστοιχες που έχουν προταθεί ερευνητικά ή είναι εμπορικά διαθέσιμες, αποδεικνύωντας την υπεροχή των προτεινόμενων σχεδίων. Έτσι προκύπτουν σχέδια πολύ υψηλής ρυθμαπόδοσης (τουλάχιστον 160% βελτιωμένοι σε σχέση με συμβατικές υλοποιήσεις) με περιορισμένο κόστος σε επιφάνεια ολοκλήρωσης (λιγότερο από 10% σε επίπεδο συνολικού κρυπτογραφικού συστήματος στην χειρότερη περίπτωση σε σχέση με συμβατικές υλοποιήσεις), βελτιστοποιώντας τον σχεδιαστικό παράγοντα «απόδοση x επιφάνεια ολοκλήρωσης» σε σχέση με άλλες εμπορικές ή ακαδημαϊκές υλοποιήσεις. / In this Ph.D dissertation, certain design techniques and methodologies, for various hardware platforms, aiming to boost performance of cryptographic modules and data intensive applications are presented. This way we manage to obtain hardware designs with extremely high throughput performing much better that anyone else that has been previously proposed either by academia or industry. Taking in consideration the rapid evolution of e-commerce and the need to secure all kind of electronic transactions, it is obvious that there is a great need to achieve much higher throughputs for certain cryptographic primitives. Especially in IPv6, HMAC etc it is crucial to design hash functions that achieve the highest degree of throughput since hashing is the limiting factor in such security schemes. The proposed methodology achieves to tackle this problem achieving to offer design solutions for hashing cores that can increase their throughput up to 160%. The proposed methodology is generally applicable to all kind of hash functions and this is a main characteristic of its importance. The proposed techniques and methodologies go far beyond from just unrolling the rounds of the algorithm and/or using extended pipelining techniques. It offers an analysis on these techniques while at the same time proposes some new, which all together form a holistic methodology for designing high-throughput hardware implementations for hash functions or other data intensive applications. 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. The main contributions of this PhD thesis involve: Developing and study of certain optimizing techniques for increasing throughput in cryptographic primitives and data intensive applications Certain design techniques that can take part in a generic methodology for improving hardware performance characteristics are proposed and studied. This study has been conducted in terms of each technique’s parameters and certain design criteria are mentioned in order to choose their values. These design criteria depend on the intended hardware characteristics, specifications and available hardware resources for the cryptographic primitive or data intensive application. Developing and study of top-down methodology for increasing throughput in cryptographic primitives and data intensive applications Techniques that were previously proposed and analyzed are merged in order to form propose a top-down methodology able to boost performance of cryptographic primitives and data intensive applications. Design parameters are studied in order to propose various design options with the default one being achieving the highest degree of throughput maintaining the best throughput/area ratio. The proposed methodology can significantly increase throughput of hardware designs leading theoretically even to 160% increase of throughput with less than 10% cost in integration area for the whole cryptographic system. Highly optimized hardware designs for the two main hash functions: SHA-1 and SHA-256 with high-throughput properties. In this contribution high throughput designs and implementations are proposed concerning the two most widely used hash functions SHA-1 and SHA-256. SHA-1 is currently the most widely deployed hashing function whereas SHA-256 has started to phase out SHA-1 due to security issues that have recently been reported. These two designs also serve as case studies for the application of the proposed methodology aiming to increase throughput in cryptographic modules and data intensive applications. Our implementation does not only increases throughput by a large degree, but it also utilizes limited area resources thus offering an advantageous "throughput x area" product in comparison with other hashing cores implementations, proposed either by academia or industry. The proposed design achieves maximum throughput over 4.7 Gbps for SHA-1 and over 4.4 Gbps for SHA-256 in Xilinx Virtex II platform with minor area penalty comparing to conventional implementations. These synthesis results are only slightly decreased after the place-and-route procedure

Στη διπλωματική αυτή μελετήσαμε και υλοποιήσαμε μηχανισμούς ασφαλείας στο επίπεδο προσπέλασης μέσου (MAC) σε ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων που βασίζονται στο πρότυπο ΙΕΕΕ 802.15.4. Συγκεκριμένα, ξεκινώντας από την υλοποίηση του επιπέδου MAC που υπάρχει στο TinyOS για την πλατφόρμα TelosB, αλλάξαμε το μηχανησμό backoff του CSMA-CA αλγορίθμου ώστε να γίνει συμβατός με το πρότυπο 802.15.4. Επίσης αναπτύξαμε της κατάλλήλες μεθόδους ώστε να ενσωματώσουμε στην υλοποίηση μηχανισμους ασφαλείας. Για το δεύτερο, αναπτύξαμε τον οδηγό (driver) για το ολοκληρωμένο CC2420 radio και κάναμε τις απαραίτητες πειραματικές μετρήσεις συγκρίνοντας το σύστημα σε τρείς λειτουργίες, δηλαδη χωρίς ασφάλεια, με ασφάλεια υλοποιημένη με λογισμικό (SW security) και με ασφάλεια χρησιμοποιώντας το ολοκληρωμενο CC2420 (HW security). Τέλος, μελετήθηκαν οι κύριοι μηχανισμοί διαχείρισης και διανομης των κλειδιών σε ένα δίκτυο και υλοποιήθηκαν δύο από αυτά τα μοντέλα. Το πρώτο βασίζεται στην πιθανολογική πρό-διανομη των κλειδιών ενώ το δεύτερο χρησιμοποιεί μηχανισμους ασυμμετρης κρυπτογραφίας, συγκεκριμένα ECC (elliptic curve cryptography) για να εγκαταστησει συμμετρικά κλειδιά στους κόμβους του δικτύου. / The thesis dealt with the implementation of the main medium access and security mechanisms in a wireless sensor network based on the IEEE 802.15.4 standard. More specifically, starting from the tinyos2.1 medium access implementation on the TelosB platform, the backoff mechanism was altered, in order to become fully 802.15.4 compliant, while the appropriate mechanisms were also developed in order to introduce the protocol's security features in the stack. For the latter, a driver for the CC2420 chip was developed and energy and performance meassurements were conducted, comparing the system under three modes of operation, namely with no security, with SW encryption/authentication and with HW encryption/authentication. Finally, the main mechanisms of key management and distribution in a deployed wireless sensor network were studied and developed. Specifically, we implemented two key management schemes. The first was a probalistic pre-distribution mechanism and the second an ECC (elliptic curve cryptography) mechanism of public cryptography in order to install symmetric keys on the motes.

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\