Made available in DSpace on 2015-05-14T12:36:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1849104 bytes, checksum: 222c0377ddf502eb4a6c7fd2f658bdb1 (MD5) Previous issue date: 2013-01-31 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This work addresses data encryption using Rijndael symmetric key encryption algorithm , which is used in Advanced Encryption Standard - AES. AES has massively widespread in computing, communications, and broadcast media applications, due to its robustness. By intensively using of all flavors and sizes of devices and networks, the AES has become the standard at the time of implementation and deployment of these applications when the major requirement, in addition to performance, is security, i.e. virtually all of those applications nowadays. In systems equipped with modern processors, even those on small devices, it is common to find some that perform the encryption and decryption procedures in software. With the "explosive" spread of addition of security layers in almost everything that is processed inside and outside of the devices, even on systems equipped with powerful computing resources, the possibility of performing these layers on (small) additional hardware resources, developed with specific purpose, has become attractive. This dissertation presents a study of the theoretical foundations involving AES, some architectures and implementations based on it and documented in the recent technical and scientific literature, as well as the methodologies and requirements for the development of its hardware implementation, in particular, focusing on mobile systems, where performance has to be achieved in low power consumption and small area scenarios. Reference models have been developed and functionally validated in high-level languages for each hierarchical architectural level compiled from the mentioned study. As a proof of concept, this work consisted in undertaking a project of an intellectual property of digital integrated circuit core (IP core) for the encryption/decryption procedures of AES, starting from the pseudocode level of the algorithms and going to the level of a digital integrated circuit core. Among the solutions studied from recent literature, modules and operations that could be replicated and/or reused were identified. A microarchitecture for the full AES was implemented hierarchically to the core level with standard cells placed and routed. The work also offers three implementation options for the block identified as the most complex: the S-Box. Results of performance and area were then presented and compared with those of literature. / Este trabalho aborda a criptografia de dados com chave simétrica com uso do algoritmo de criptografia Rijndael, que é utilizado no Advanced Encryption Standard - AES. Devido a sua robustez, tem se tornado massivamente difundido em aplicações computacionais, comunicação e de difusão de media. Abrangendo todos os tamanhos e sabores de dispositivos de rede, o AES tem sido o padrão na hora da implementação e disponibilização dessas aplicações quando o requisito principal, além do desempenho, é a segurança, ou seja, praticamente todas as aplicações digitais nos dias de hoje. Em sistemas de processamento dotados dos modernos processadores, mesmo os de pequeno porte, é comum encontrar sistemas que executam os procedimentos de criptografia e decriptografia em software. Com a proliferação "explosiva" da adição de camadas de segurança em quase tudo que é processado dentro e fora dos dispositivos, mesmo em sistemas dotados de poderosos recursos computacionais, tem se tornado atrativa a possibilidade de executar essas camadas em (pequenos) recursos adicionais de hardware, desenvolvidos com finalidade específica. Nesta dissertação, foram estudados os fundamentos teóricos, envolvendo o AES, arquiteturas e implementações documentadas na literatura técnica e científica recente, bem como as metodologias e requisitos específicos para fins de desenvolvimento de sua implementação em hardware, focando, em especial, os sistemas móveis, onde desempenho tem que ser conseguido com baixo consumo de energia e pouca área. Foram desenvolvidos e validados funcionalmente modelos de referência em linguagem de alto nível para cada nível de hierarquia arquitetural compilado do referido estudo. Como prova de conceito, este trabalho consistiu em realizar o projeto de uma propriedade intelectual de núcleo de circuito integrado IP-core, digital para realização dos procedimentos de criptografia/decriptografia do AES, partindo do nível do pseudocódigo dos algoritmos até o nível de um núcleo (core) de circuito integrado digital. Das soluções estudadas na literatura recente, foram identificados módulos e operações passíveis de serem replicadas/reusadas. Uma microarquitetura para o AES completo foi implementada hierarquicamente até o nível de núcleo com standard cells posicionado e roteado, contemplando ainda 3 opções de implementação para o bloco reconhecidamente o mais complexo: o S-Box. Resultados de desempenho e área foram apresentados e comparados.

Diversas aplicações de redes de sensores sem fio necessitam de serviços de segurança, como confidencialidade, integridade e autenticação de origem de dados. Contudo, dadas as limitações de processamento, memória e suprimento de energia dos dispositivos, os mecanismos de segurança tradicionais podem causar efeitos indesejáveis na rede, como atraso na comunicação e aumento no consumo de energia, impondo obstáculos para seu uso na tecnologia em questão. Muitas propostas de esquemas de segurança baseados em criptografia simétrica projetados especificamente para redes de sensores sem fio são encontradas na literatura. Contudo, essas soluções são focadas na segurança salto-a-salto. Tal abordagem é adequada para garantir a segurança dos enlaces deste tipo de rede, mas não garante a segurança na comunicação fim-a-fim. Neste trabalho são apresentados cenários e desafios de implementação de segurança neste tipo de rede, e a concepção, o projeto e a implementação de uma arquitetura de segurança para redes de sensores sem fio, que tem como objetivos: prover segurança na comunicação fim-a-fim; permitir a interoperabilidade entre diferentes sistemas; e possibilitar uma maior flexibilidade em relação à utilização de chaves criptográficas em diferentes cenários e topologias. Adicionalmente, a solução proposta suporta ativação e desativação de seus serviços em tempo de execução. O projeto da referida arquitetura, atuante na camada de aplicação da pilha de protocolos de rede, foi construído com base na análise das características de arquiteturas encontradas na literatura, bem como de estratégias adotadas por estas. Para a construção da implementação foram selecionados mecanismos e algoritmos criptográficos a partir da avaliação de desempenho que considerou assimétricas de uso de memória, tempo de execução e consumo de energia. Como resultados são apresentados a especificação da arquitetura, a avaliação qualitativa da mesma e a avaliação de desempenho da implementação desenvolvida como prova de conceito. Além disso, é apresentada uma análise do impacto de diferentes topologias e características de disposição na tarefa de distribuição de chaves criptográficas em redes de sensores sem fio. / Many wireless sensor networks applications need security services, such as confidentiality, data integrity and data source authentication. On the other hand, because of device limitations, security mechanisms may affect the network energy consumption and communication delay, which impose a great challenge for practical implementation of security mechanisms in such scenario. Many solutions based on symmetric cryptography were proposed for the specific challenges of wireless sensor networks. Nevertheless, they are focused on hop-by-hop security. Such approach is suited to provide link-layer security, but it cannot guarantee end-to-end security. This work presents scenarios and challenges to implement security in wireless sensor networks, and the conception, design and implementation of a security architecture, which aims to provide: security in end-to-end communication; interoperability between different systems, and enable greater flexibility in cryptographic keys distribution in different scenarios and topologies. Additionally, the proposed solution supports on-the-y adjustment of its security services. The architecture design, which targets the application layer of the network protocol stack, was based on the main properties of the architectures found in literature as well as adopted strategies. For the implementation, mechanisms and cryptographic algorithms were selected through the performance evaluation that considers memory usage, execution time and power consumption as metrics. The results were the architecture specification and its qualitative analysis, and the performance evaluation of the implementation developed as proof of concept. Furthermore, we present an analysis of topology and deployment impact on key distribution task.

Diversas aplicações de redes de sensores sem fio necessitam de serviços de segurança, como confidencialidade, integridade e autenticação de origem de dados. Contudo, dadas as limitações de processamento, memória e suprimento de energia dos dispositivos, os mecanismos de segurança tradicionais podem causar efeitos indesejáveis na rede, como atraso na comunicação e aumento no consumo de energia, impondo obstáculos para seu uso na tecnologia em questão. Muitas propostas de esquemas de segurança baseados em criptografia simétrica projetados especificamente para redes de sensores sem fio são encontradas na literatura. Contudo, essas soluções são focadas na segurança salto-a-salto. Tal abordagem é adequada para garantir a segurança dos enlaces deste tipo de rede, mas não garante a segurança na comunicação fim-a-fim. Neste trabalho são apresentados cenários e desafios de implementação de segurança neste tipo de rede, e a concepção, o projeto e a implementação de uma arquitetura de segurança para redes de sensores sem fio, que tem como objetivos: prover segurança na comunicação fim-a-fim; permitir a interoperabilidade entre diferentes sistemas; e possibilitar uma maior flexibilidade em relação à utilização de chaves criptográficas em diferentes cenários e topologias. Adicionalmente, a solução proposta suporta ativação e desativação de seus serviços em tempo de execução. O projeto da referida arquitetura, atuante na camada de aplicação da pilha de protocolos de rede, foi construído com base na análise das características de arquiteturas encontradas na literatura, bem como de estratégias adotadas por estas. Para a construção da implementação foram selecionados mecanismos e algoritmos criptográficos a partir da avaliação de desempenho que considerou assimétricas de uso de memória, tempo de execução e consumo de energia. Como resultados são apresentados a especificação da arquitetura, a avaliação qualitativa da mesma e a avaliação de desempenho da implementação desenvolvida como prova de conceito. Além disso, é apresentada uma análise do impacto de diferentes topologias e características de disposição na tarefa de distribuição de chaves criptográficas em redes de sensores sem fio. / Many wireless sensor networks applications need security services, such as confidentiality, data integrity and data source authentication. On the other hand, because of device limitations, security mechanisms may affect the network energy consumption and communication delay, which impose a great challenge for practical implementation of security mechanisms in such scenario. Many solutions based on symmetric cryptography were proposed for the specific challenges of wireless sensor networks. Nevertheless, they are focused on hop-by-hop security. Such approach is suited to provide link-layer security, but it cannot guarantee end-to-end security. This work presents scenarios and challenges to implement security in wireless sensor networks, and the conception, design and implementation of a security architecture, which aims to provide: security in end-to-end communication; interoperability between different systems, and enable greater flexibility in cryptographic keys distribution in different scenarios and topologies. Additionally, the proposed solution supports on-the-y adjustment of its security services. The architecture design, which targets the application layer of the network protocol stack, was based on the main properties of the architectures found in literature as well as adopted strategies. For the implementation, mechanisms and cryptographic algorithms were selected through the performance evaluation that considers memory usage, execution time and power consumption as metrics. The results were the architecture specification and its qualitative analysis, and the performance evaluation of the implementation developed as proof of concept. Furthermore, we present an analysis of topology and deployment impact on key distribution task.