Ocorre atualmente um movimento de aumento da importância que a manutenção da segurança da informação vem adquirindo em redes de informação de crítica. Ao longo das últimas décadas a utilização de ferramentas criptográficas, especialmente aquelas baseadas em problemas de díficil solução computacional, foram suficientes para garantir a segurança dos sistemas de comunicação. Contudo, o desenvolvimento da nova técnica de processamento de informação conhecida como computação quântica e os resultados téoricos e experimentais apresentados por esta mostram que é possível inviabilizar alguns dos sistemas de criptografia atuais amplamente utilizados. A existência de tal vulnerabilidade representa um fator crítico em redes em que falhas de segurança da informação podem estar associadas a riscos de segurança física. Uma alternativa para os métodos criptográficos atuais consiste na utilização de sistemas quânticos na obtenção de um método criptográfico, o que se conhece como criptografia quântica. Este novo paradigma tem seu fundamento resistente mesmo na presença de capacidade tecnológica ilimitada, incluindo o cenário com disponibilidade de computação quântica. Este trabalho tem como objetivo levantar os impactos que o desenvolvimento da computação quântica têm sobre a segurança dos atuais sistemas criptográficos, apresentar e desenvolver alternativas de protocolos de criptografia quântica disponíveis, e realizar um estudo de caso por meio da avaliação da utilização de criptografia quântica no contexto da Aeronautical Telecommunication Network (ATN). Isto é feito por meio do desenvolvimento de um ambiente de simulacão que permite avaliar o comportamento de um protocolo de criptografia quântica em um cenário em um ambiente com requisitos de missão crítica, como é o caso da ATN. / The importance of security maintenance in critical information networks has been rising in recent times. Over the past decades, the utilization of cryptography tools, mainly those based on computationally intractable problems, was enough to ensure the security of communications systems. The development of the new information processing technique known as quantum computation and the theoretical and experimental results showed by this approach demonstrated that could be possible to cripple the current widely used cryptography techniques. This vulnerability represents a critical issue for networks where a security fault could be associated to a safety fault. An alternative for the current cryptography methods consists in the utilization of quantum systems to obtain a new cryptographic method. The new paradigm presented by this approach has solid principles even in the presence of unlimited computational capacity, including the scenario with availability of quantum computation. The aim of this work is the assessment of impacts that the development of quantum computation has over the current cryptographic methods security, the presentation and development of alternatives based on quantum cryptography protocols, and the development of a case study using the case of Aeronautical Telecommunication Network (ATN). This aim is reached by means of the development of a simulation environment that allows the evaluation of a quantum cryptography protocol behavior in an environment with mission critical requirements, like the ATN case.

Cada vez mais, a infra-estrutura de segurança está assumindo um lugar de destaque na área de saúde, para garantir fatores críticos como confidencialidade, autenticidade, integridade, irretratabilidade e auditoria. Em particular, a integridade e a autenticidade de imagens médicas são fatores bastante críticos, na medida em que fornecem mecanismos para evitar e minimizar a adulteração de informações acerca do paciente, auxiliando a prevenir erros que podem causar prejuízos de ordem física e moral ao paciente. Entretanto, os trabalhos apresentados até agora nesta área apresentam limitações que devem ser solucionadas. Este trabalho tem por objetivo propor uma solução baseada em métodos criptográficos para prover autenticidade e integridade de imagens médicas, visando o uso em um ambiente real de Saúde. A partir da solução conceitual criada, foi proposto e codificado um algoritmo para atribuição e verificação da segurança nas imagens, para atender aos requisitos especificados. A implementação foi feita com sucesso, e testes comparativos de desempenho revelaram que o algoritmo possui uma boa relação custo-benefício, oferecendo um grau adicional de segurança à assinatura digital sem acarretar uma perda de performance significativa. É importante ressaltar que a abordagem proposta neste trabalho abre uma outra alternativa em termos de segurança, onde um usuário só poderá visualizar imagens que estejam íntegras e autênticas. Contudo, isso traz consigo uma vulnerabilidade, onde há uma facilidade maior para a destruição de dados, bastando introduzir uma adulteração mínima. Esse aspecto certamente deve ser levado em conta para implementações em ambiente de produção. A solução proposta é compatível com a arquitetura do padrão DICOM, podendo ser incorporado facilmente como extensão do padrão sem gerar dados adicionais a serem armazenados. Como passos futuros, deve-se otimizar o desempenho, bem como realizar avaliações quantitativas e qualitativas dentro de um ambiente de produção. / The importance of the security infrastructure in the healthcare field is increasingly growing, in order to provide critical features like confidentiality, authenticity, integrity, non-repudiation and auditing. Among them, authenticity and integrity are critical factors regarding the medical images, since they provide mechanisms to avoid and minimize modifications in the patient information, helping to prevent mistaken diagnosis that could potentially cause physical and moral damage to the patient. However, the works so far available present several limitations that must be addressed. The purpose of this work is to propose a cryptographic solution to provide authenticity and integrity of medical images, envisioning its use in a real healthcare environment. Based on the conceptual solution, an algorithm was devised and implemented to add and verify the two aforementioned security services. The implementation was done in a successful fashion and comparative performance tests showed that the proposed algorithm offers a good cost-benefit ratio, offering an addicional layer of security without compromising performance in a significative degree. It\'s important to emphasize the fact that the approach devised in this work opens a new paradigm, where a user will only see images that haven\'t been tampered with. On the other hand, this brings along a potential vulnerability, making it easier to destroy patient data by introducing the slightest adulteration. This issue must be taken into account when deploying this solution in a real environment. Also, the proposed solution is based on the DICOM architecture, making it easier for deployment as an extension, without any storage overhead. For the next steps, performance must be optimized and evaluation, both quantitative and qualitative, must be done in a production environment.

Orientador: Prof. Dr. Daniel Miranda Machado / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Mestrado Profissional em Matemática em Rede Nacional, 2015.

Orientador : Prof. Dr. Jerônimo Cordoni Pellegrini / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação, 2017. / A criptografia é fundamental para assegurar as pessoas seus direitos e liberdades individuais e para protejer os dados das organizações. Este trabalho descreve uma nova função hash de 256 bits. O algoritmo usa em sua concepção equações diferenciais parciais (EDPs) catóticas, inaugurando assim um novo paradigma nesta area. Por utilizar EDPs catóticas o algoritmo pode ter seu desempenho aumentado através de programação paralela. Usar a técnica de programação paralela não é possível em sistemas caóticoa clássicos, como mapas e equaçõess diferenciais ordinarias. As EDPs de Gray-Scott são as EDPs usadas neste trabalho. Dois grandesções. O outro desafio foi diminuir o custo computacional fixo que uma versão anterior do algoritmo, tambem desenvolvida pelo autor, apresentava na etapa de finalização. Os resultados obtidos mostram que o algoritmo desenvolvido possui um bom desempenho em arquiteturas paralelas de computadores, mostrando que este novo paradigma para elaboração de algoritmos de criptografia tira um bom proveito do atual paradigma para arquiteturas de computadores. / Cryptography is essential to ensure the people individual freedom and to protect organizations data. This work presents a novel cryptographic hash function of 256 bits. The algorithm uses partial diferential this area. Because of the use of chaotic partial diferential equations this algorithm can be parallelized so its performance will be increased when a GPU is available. Parallelization isn't possible on classic chaotic systems, for instance, maps and ordinary diferential equations. The Gray-Scott PDEs are the PDEs that are being utilized in this work. There were two challenges in the development of this work. The first task was to ensure that the evolution of Gray-Scott PDEs have sensibility to initial conditions, after discretization. The second was to decrease the fixed-cost to finish algorithm, this issue was present in a previous algorithm version of the algorithm. The results obtained show that algorithm developed has a good performance for parallel computer architectures, thus the new paradigm for cryptographic algorithms makes good use of the current paradigm for computers architecture.

Submitted by Algacilda Conceição (algacilda@sibi.ufrj.br) on 2018-03-28T18:24:25Z No. of bitstreams: 1 133513.pdf: 3029510 bytes, checksum: a36c14574fd3fd43908ab27f07105e96 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-28T18:24:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 133513.pdf: 3029510 bytes, checksum: a36c14574fd3fd43908ab27f07105e96 (MD5) Previous issue date: 1973-09 / CNPq / Estudo sobre segurança em Centros de Processamento de Dados e segurança de informações confidenciais. Muitos fatos que podem surgir e abalar qualquer CPD, tais como: fraudes, falhas de hardware e/ou software, erros do operador, erros de programação, penetração em informações privativas, e outros, são brevemente abordados. Com referência a segredo de informação, as técnicas clássicas de criptografia são estudadas. Com base nisso, técnicas de transformação adequadas, tais como, esquemas aritméticos, lógicos e esquema de matriz são descritas. Finalmente é dada uma discussão sobre o projeto de sistemas de cripto-programação. / Study about security of Data Processing Center and Security of private informations. Many destructive fates that can await every Computer Center: fraud, hardware and software failures, operator errors, programming errors, penetration of private informations and others, are briefly discussed. With reference of privacy of information, the classical cryptographic techniques are studied. On this bases, suitable transformation techniques such as arithmetical, logic and matrix schemes are discribed. Finally a discussion is given on the systems design for criptoprogramming.

Este documento apresenta o Lyra, um novo esquema de derivação de chaves, baseado em esponjas criptográficas. O Lyra foi projetado para ser estritamente sequencial, fornecendo um nível elevado de segurança mesmo contra atacantes que utilizem múltiplos núcleos de processamento, como uma GPU ou FPGA. Ao mesmo tempo possui uma implementação simples em software e permite ao usuário legítimo ajustar o uso de memória e tempo de processamento de acordo com o nível de segurança desejado. O Lyra é, então, comparado ao scrypt, mostrando que esta proposta fornece um nível se segurança mais alto, além de superar suas deficiências. Caso o atacante deseje realizar um ataque utilizando pouca memória, o tempo de processamento do Lyra cresce exponencialmente, enquanto no scrypt este crescimento é apenas quadrático. Além disto, para o mesmo tempo de processamento, o Lyra permite uma utilização maior de memória, quando comparado ao scrypt, aumentando o custo de ataques de força bruta. / This document presents Lyra, a password-based key derivation scheme based on cryptographic sponges. Lyra was designed to be strictly sequential, providing strong security even against attackers that use multiple processing cores, such as FPGAs or GPUs. At the same time, it is very simple to implement in software and allows legitimate users to tune its memory and processing costs according to the desired level of security. We compare Lyra with scrypt, showing how this proposal provides a higher security level and overcomes limitations of scrypt. If the attacker wishes to perform a low-memory attack against the algorithm, the processing cost grwos expontetialy, while in scrypt, this growth is only quadratic. In addition, for an identical processing time, Lyra allows for a higher memory usage than its counterparts, further increasing the cost of brute force attacks.

To protect against brute force attacks, modern password-based authentication systems usually employ mechanisms known as Password Hashing Schemes (PHS). Basically, a PHS is a cryptographic algorithm that generates a sequence of pseudorandom bits from a user-defined password, allowing the user to configure the computational costs involved in the process aiming to raise the costs of attackers testing multiple passwords trying to guess the correct one. Traditional schemes such as PBKDF2 and bcrypt, for example, include a configurable parameter that controls the number of iterations performed, allowing the user to adjust the time required by the password hashing process. The more recent scrypt and Lyra algorithms, on the other hand, allow users to control both processing time and memory usage. Despite these advances, there is still considerable interest by the research community in the development of new (and better) alternatives. Indeed, this led to the creation of a competition with this specific purpose, the Password Hashing Competition (PHC). In this context, the goal of this research effort is to propose a superior PHS alternative. Specifically, the objective is to improve the Lyra algorithm, a PHS built upon cryptographic sponges whose project counted with the authors\' participation. The resulting solution, called Lyra2, preserves the security, efficiency and flexibility of Lyra, including: the ability to configure the desired amount of memory and processing time to be used by the algorithm; and (2) the capacity of providing a high memory usage with a processing time similar to that obtained with scrypt. In addition, it brings important improvements when compared to its predecessor: (1) it allows a higher security level against attack venues involving time-memory trade-offs; (2) it includes tweaks for increasing the costs involved in the construction of dedicated hardware to attack the algorithm; (3) it balances resistance against side-channel threats and attacks relying on cheaper (and, hence, slower) storage devices. Besides describing the algorithm\'s design rationale in detail, this work also includes a detailed analysis of its security and performance in different platforms. It is worth mentioning that Lyra2, as hereby described, received a special recognition in the aforementioned PHC competition. / Para proteger-se de ataques de força bruta, sistemas modernos de autenticação baseados em senhas geralmente empregam algum Esquema de Hash de Senhas (Password Hashing Scheme - PHS). Basicamente, um PHS é um algoritmo criptográfico que gera uma sequência de bits pseudo-aleatórios a partir de uma senha provida pelo usuário, permitindo a este último configurar o custo computacional envolvido no processo e, assim, potencialmente elevar os custos de atacantes testando múltiplas senhas em paralelo. Esquemas tradicionais utilizados para esse propósito são o PBKDF2 e bcrypt, por exemplo, que incluem um parâmetro configurável que controla o número de iterações realizadas pelo algoritmo, permitindo ajustar-se o seu tempo total de processamento. Já os algoritmos scrypt e Lyra, mais recentes, permitem que usuários não apenas controlem o tempo de processamento, mas também a quantidade de memória necessária para testar uma senha. Apesar desses avanços, ainda há um interesse considerável da comunidade de pesquisa no desenvolvimento e avaliação de novas (e melhores) alternativas. De fato, tal interesse levou recentemente à criação de uma competição com esta finalidade específica, a Password Hashing Competition (PHC). Neste contexto, o objetivo do presente trabalho é propor uma alternativa superior aos PHS existentes. Especificamente, tem-se como alvo melhorar o algoritmo Lyra, um PHS baseado em esponjas criptográficas cujo projeto contou com a participação dos autores do presente trabalho. O algoritmo resultante, denominado Lyra2, preserva a segurança, eficiência e flexibilidade do Lyra, incluindo a habilidade de configurar do uso de memória e tempo de processamento do algoritmo, e também a capacidade de prover um uso de memória superior ao do scrypt com um tempo de processamento similar. Entretanto, ele traz importantes melhorias quando comparado ao seu predecessor: (1) permite um maior nível de segurança contra estratégias de ataque envolvendo trade-offs entre tempo de processamento e memória; (2) inclui a possibilidade de elevar os custos envolvidos na construção de plataformas de hardware dedicado para ataques contra o algoritmo; (3) e provê um equilíbrio entre resistância contra ataques de canal colateral (\"side-channel\") e ataques que se baseiam no uso de dispositivos de memória mais baratos (e, portanto, mais lentos) do que os utilizados em computadores controlados por usuários legítimos. Além da descrição detalhada do projeto do algoritmo, o presente trabalho inclui também uma análise detalhada de sua segurança e de seu desempenho em diferentes plataformas. Cabe notar que o Lyra2, conforme aqui descrito, recebeu uma menção de reconhecimento especial ao final da competição PHC previamente mencionada.

A tendência para o futuro da tecnologia é a produção de dispositivos eletrônicos e de computação cada vez menores. Em curto e médio prazos, ainda há poucos recursos de memória e processamento neste ambiente. A longo prazo, conforme a Física, a Química e a Microeletrônica se desenvolvem, constata-se significativo aumento na capacidade de tais dispositivos. No intervalo de curto e médio prazos, entre 20 e 50 anos, até que a tecnologia tenha avanços, soluções leves de software se vêem necessárias. No Brasil, o protocolo de assinatura digital RSA é o mais amplamente adotado, sendo obsolescente como padrão. O problema é que os avanços tecnológicos impõem um aumento considerável no tamanho das chaves criptográficas para que se mantenha um nível de segurança adequado, resultando efeitos indesejáveis em tempo de processamento, largura de banda e armazenamento. Como solução imediata, temos a criptografia de curvas elípticas sendo mais adequada para utilização por órgãos públicos e empresas. Dentro do estudo de curvas elípticas, este trabalho contribui especificamente com a introdução de uma nova subfamília das curvas amigáveis a emparelhamento Barreto-Naehrig (BN). A subfamília proposta tem uma descrição computacionalmente simples, tornando-a capaz de oferecer oportunidades de implementação eficiente. A escolha das curvas BN também se baseia no fato de possibilitarem uma larga faixa de níveis práticos de segurança. A partir da subfamília introduzida foram feitas algumas implementações práticas começando com algoritmos mais básicos de operações em corpos de extensão, passando por algoritmos de aritmética elíptica e concluindo com o cálculo da função de emparelhamento. A combinação da nova subfamília BN com a adoção de técnicas de otimização, cuidadosamente escolhidas, permitiu a mais eficiente implementação do emparelhamento Ate ótimo, operação bastante útil em aplicações criptográficas práticas. / The trend for the future consists of steadfast shrinking of electrical and computing devices. In the short to medium term, one will still find constrained storage and processing resources in that environment. In the long run, as Physics, Chemistry and Microelectronics progress, the capabilities of such devices are likely to increase. In 20 to 50 years from now, until technology has firm advances, lightweight software solutions will be needed. In Brazil, the most widely adopted signature protocol, the RSA scheme, is obsolescent as a standard. The problem is that technological advances impose a considerable increase in cryptographic key sizes in order to maintain a suitable security level, bringing about undesirable effects in processing time, bandwidth occupation and storage requirements. As an immediate solution, we have the Elliptic Curve Cryptography which is more suitable for utilization in public agencies and industry. In the field of elliptic curves, this work contributes specifically with the introduction of a new subfamily of the pairing-friendly Barreto-Naehrig (BN) curves. The proposed subfamily has a computationally simple description, and makes it able to offer opportunities for efficient implementation. The choice of the BN curves is also based on the fact that they allow a range of practical security levels. Furthermore, there were made practical implementations from the introduced subfamily, like the most basic extension fields algorithms, elliptic curve arithmetic and pairing computation. The adoption of the new BN subfamily with carefully chosen optimization techniques allowed the most efficient implementation of the optimal Ate pairing, which is a very useful operation in many practical cryptographic applications.

O processo de seleção de um novo padrão para criptografia de dados promovido pelo governo norte-americano, denominado Advanced Encryption Standard - AES, resultou na escolha do algoritmo Rijndael. Este cifrador trabalha com blocos de 128 bits e chave criptográfica de 128, 192 ou 256 bits. Espera-se que este novo padrão seja amplamente adotado pela iniciativa privada, substituindo o Data Encryption Standard - DES - a médio prazo. Neste trabalho é proposta uma arquitetura de um coprocessador dedicado para executar as funções de cifragem e decifragem de acordo com a norma AES, com chave criptográfica de 128 bits. O circuito foi implementado em um dispositivo lógico reconfigurável do tipo Field Programmable Gate Array - FPGA. A arquitetura proposta foi projetada com a finalidade de reduzir a quantidade de recursos utilizados, de forma a ser implementada em um dispositivo de média densidade e baixo custo. Para a etapa de síntese foi utilizado um dispositivo Altera ACEX 1K50. O circuito sintetizado utiliza 1984 elementos lógicos e 6 blocos de memória embarcada, atingindo uma taxa de cifragem estimada de 91,8 megabits por segundo. O funcionamento do coprocessador foi comprovado através de teste funcional, utilizando os vetores de teste fornecidos pela norma.

A tendência para o futuro da tecnologia é a produção de dispositivos eletrônicos e de computação cada vez menores. Em curto e médio prazos, ainda há poucos recursos de memória e processamento neste ambiente. A longo prazo, conforme a Física, a Química e a Microeletrônica se desenvolvem, constata-se significativo aumento na capacidade de tais dispositivos. No intervalo de curto e médio prazos, entre 20 e 50 anos, até que a tecnologia tenha avanços, soluções leves de software se vêem necessárias. No Brasil, o protocolo de assinatura digital RSA é o mais amplamente adotado, sendo obsolescente como padrão. O problema é que os avanços tecnológicos impõem um aumento considerável no tamanho das chaves criptográficas para que se mantenha um nível de segurança adequado, resultando efeitos indesejáveis em tempo de processamento, largura de banda e armazenamento. Como solução imediata, temos a criptografia de curvas elípticas sendo mais adequada para utilização por órgãos públicos e empresas. Dentro do estudo de curvas elípticas, este trabalho contribui especificamente com a introdução de uma nova subfamília das curvas amigáveis a emparelhamento Barreto-Naehrig (BN). A subfamília proposta tem uma descrição computacionalmente simples, tornando-a capaz de oferecer oportunidades de implementação eficiente. A escolha das curvas BN também se baseia no fato de possibilitarem uma larga faixa de níveis práticos de segurança. A partir da subfamília introduzida foram feitas algumas implementações práticas começando com algoritmos mais básicos de operações em corpos de extensão, passando por algoritmos de aritmética elíptica e concluindo com o cálculo da função de emparelhamento. A combinação da nova subfamília BN com a adoção de técnicas de otimização, cuidadosamente escolhidas, permitiu a mais eficiente implementação do emparelhamento Ate ótimo, operação bastante útil em aplicações criptográficas práticas. / The trend for the future consists of steadfast shrinking of electrical and computing devices. In the short to medium term, one will still find constrained storage and processing resources in that environment. In the long run, as Physics, Chemistry and Microelectronics progress, the capabilities of such devices are likely to increase. In 20 to 50 years from now, until technology has firm advances, lightweight software solutions will be needed. In Brazil, the most widely adopted signature protocol, the RSA scheme, is obsolescent as a standard. The problem is that technological advances impose a considerable increase in cryptographic key sizes in order to maintain a suitable security level, bringing about undesirable effects in processing time, bandwidth occupation and storage requirements. As an immediate solution, we have the Elliptic Curve Cryptography which is more suitable for utilization in public agencies and industry. In the field of elliptic curves, this work contributes specifically with the introduction of a new subfamily of the pairing-friendly Barreto-Naehrig (BN) curves. The proposed subfamily has a computationally simple description, and makes it able to offer opportunities for efficient implementation. The choice of the BN curves is also based on the fact that they allow a range of practical security levels. Furthermore, there were made practical implementations from the introduced subfamily, like the most basic extension fields algorithms, elliptic curve arithmetic and pairing computation. The adoption of the new BN subfamily with carefully chosen optimization techniques allowed the most efficient implementation of the optimal Ate pairing, which is a very useful operation in many practical cryptographic applications.