Η παρούσα διπλωματική προτείνει μια hardware υλοποίηση για κρυπτογράφηση μηνυμάτων βασισμένη στο πρότυπο ασφαλείας Galois/Counter Mode (GCM). O αλγόριθμος κρυπτογράφησης Galois/Counter Mode (GCM) εκδόθηκε από τον οργανισμό National Institute of Standards and Technology (NIST) τον Νοέμβριο του 2007. Σε συνεργασία με τον μηχανισμό πιστοποίησης μηνυμάτων, υλοποιείται το συνολικό πρότυπο GCM για online λειτουργία. Στο Κεφάλαιο 1, αρχικά γίνεται μια σύντομη ιστορική αναδρομή στον τομέα της κρυπτογραφίας. Στην συνέχεια παρουσιάζονται οι λόγοι που οδήγησαν στην δημιουργία αυτού του προτύπου ασφαλείας. Ακολουθεί μια σύντομη εισαγωγή στον GCM και στους τρόπους με τους οποίος αυτός δουλεύει. Στο τέλος του κεφαλαίου αναφέρονται οι πρακτικές εφαρμογές που έχει η χρήση του G. Στο Κεφάλαιο 2, αρχικά αναφέρονται οι συμβολισμοί και οι βασικές έννοιες που χρησιμοποιούνται στην διπλωματική. Στην συνέχεια, δίνονται συνοπτικές πληροφορίες για το μαθηματικό υπόβαθρο που είναι απαραίτητο για την κατανόηση των εσωτερικών μηχανισμών του GCM. Ακολουθεί η ανάλυση των μαθηματικών συνιστωσών του GCM. Επίσης, παρουσιάζεται το υπόβαθρο των τρόπων λειτουργίας (mode of operation) που υιοθετούνται στον GCM. Τέλος, δίνονται συνοπτικά βασικές πληροφορίες της FPGA πλατφόρμας, Στο Κεφάλαιο 3, γίνεται μια ολοκληρωμένη ανάλυση και μελέτη του Advanced Encryption Standard (AES) και πιο συγκεκριμένα της forward cipher function με υποστηριζόμενο κλειδί 128 bit, καθώς αυτή η διεργασία αποτελεί τον βασικό συμμετρικού κλειδιού block cipher που χρησιμοποιείται στον GCM. Στο Κεφάλαιο 4, πραγματοποιείται η ανάλυση του προτύπου GCM βασισμένη στο τέταρτο recommendation του NIST. Παρουσιάζονται όλοι οι επιμέρους αλγόριθμοι που χρησιμοποιούνται καθώς και ο τρόπος με τον οποίον αυτοί αλληλεπιδρούν και συνεργάζονται για την δημιουργία του GCM αλγορίθμου. Στο τέλος του κεφαλαίου, αναφέρονται οι απαιτήσεις για key και IV που πρέπει να ικανοποιούνται για να θεωρείται ο αλγόριθμος κρυπτογραφικά ισχυρός. Στο Κεφάλαιο 5, αρχικά γίνεται μια top down ανάλυση του GCM. Την ανάλυση αυτή συμπληρώνει η δεύτερη ενότητα στην οποία παρουσιάζεται και αναλύεται η προτεινόμενη αρχιτεκτονική για την hardware υλοποίηση. Στην συνέχεια, δίνεται ο σχεδιασμός των βασικών δομικών στοιχείων του GCM. Στην τελευταία ενότητα παρουσιάζεται η συνολική αρχιτεκτονική του GCM με σκοπό την υλοποίηση για high speed απαιτήσεις. Στο Κεφάλαιο 6, δίνεται μια συνοπτική περιγραφή στα γενικότερα θέματα μια γλώσσας περιγραφής υλικού, και των εργαλείων εξομοίωσης και σύνθεσης. Στο Κεφάλαιο 7, δίνονται τα αποτέλεσμα που προέκυψαν από την εξομοίωση του VHDL κώδικα. Ακολουθούν τα αποτελέσματα της σύνθεσης από δύο διαφορετικές FPGA τεχνολογίες. Στη συνέχεια γίνεται εισαγωγή στον τρόπο με τον οποίο ο μηχανισμός πιστοποίησης και κρυπτογράφησης μηνυμάτων συνεργάζονται για την υλοποίηση του GCM και δίνεται ο τρόπος λειτουργίας του GCM μηχανισμού που υλοποιήθηκε. Ακολουθούν τα αποτελέσματα της εξομοίωσης και σύνθεσης σε δύο διαφορετικές τεχνολογίες καθώς και μια σύγκριση μεταξύ των δύο τεχνολογιών που χρησιμοποιήθηκαν για την σύνθεση. Στο Παράρτημα Α παρουσιάζεται ο τρόπος χρήσης του Xilinx ISE που χρησιμοποιήθηκε για την σύνθεση του VHDL κώδικα για την τεχνολογία Virtex-V. / This thesis proposes a hardware implementation in high speed data rates for encrypting messages based on security standard Galois / Counter Mode (GCM). The encryption algorithm Galois / Counter Mode (GCM) was adopted by the National Institute of Standards and Technology (NIST) in November 2007. In cooperation with the authentication message mechanism, the standard for online GCM mode is fully implemented. The Galois/Counter Mode of Operation (GCM) simultaneously authenticates and encrypts data at speeds that were not previously possible for both software and hardware implementations. In GCM, data integrity is achieved by chaining Galois field multiplication operations while a symmetric key block cipher such as the Advanced Encryption Standard (AES), is used to meet goals of confidentiality.

Η παρούσα διπλωματική προτείνει μια hardware υλοποίηση του μηχανισμού πιστοποίησης μηνυμάτων βασισμένη στο πρότυπο Galois/Counter Mode (GCM) . O αλγόριθμος κρυπτογράφησης Galois/Counter Mode (GCM) εκδόθηκε από τον οργανισμό National Institute of Standards and Technology (NIST) τον Νοέμβριο του 2007. Σε συνεργασία με τον μηχανισμός κρυπτογράφησης μηνυμάτων, υλοποιείται το πρότυπο GCM για online λειτουργία. Στο Κεφάλαιο 1, αρχικά γίνεται μια σύντομη ιστορική αναδρομή στον τομέα της κρυπτογραφίας. Στην συνέχεια παρουσιάζονται οι λόγοι που οδήγησαν στην δημιουργία αυτού του αλγορίθμου. Ακολουθεί μια σύντομη εισαγωγή στον GCM και στους τρόπους με τους οποίος αυτός δουλεύει. Στο τέλος του κεφαλαίου αναφέρονται οι πρακτικές εφαρμογές που έχει η χρήση του GCM. Στο Κεφάλαιο 2, αρχικά αναφέρονται οι συμβολισμοί που χρησιμοποιούνται στην διπλωματική καθώς και οι βασικές έννοιες που χρησιμοποιούνται. Στην συνέχεια, αναλύεται το μαθηματικό υπόβαθρο που είναι απαραίτητο για την κατανόηση των εσωτερικών μηχανισμών του GCM. Η ανάλυση που γίνεται σε αυτή την ενότητα αποτελεί και την βασική αρχή στην οποία στηρίχτηκε η δημιουργία του αλγορίθμου. Ακολουθεί η ανάλυση των μαθηματικών συνιστωσών του GCM. Η ενότητα αυτή κατατάσσεται τόσο σε μαθηματική ανάλυση όσο και σε hardware προσέγγιση των επιμέρους συνιστωσών . Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η τελευταία υποενότητα του κεφαλαίου που παρουσιάζει τον τρόπο με τον οποίο από τον σειριακό πολλαπλασιαστή στο GF(2128) οδηγούμαστε στον παράλληλο πολλαπλασιαστή. Στο Κεφάλαιο 3, αρχικά παρουσιάζεται ο Advanced Encryption Standard (AES) και πιο συγκεκριμένα η forward function αυτού με υποστηριζόμενο κλειδί 128 bit. Στην συνέχεια του κεφαλαίου, παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα για την υλοποίηση με χρήση FPGAs, επίσης γίνεται μια σύντομη περιγραφή των βασικών διαφορών που παρουσιάζονται στις δύο οικογένειες FPGAs που χρησιμοποιήθηκαν. Στο Κεφάλαιο 4 , πραγματοποιείται η ανάλυση του αλγορίθμου GCM βασισμένη στο recommendation του NIST. Παρουσιάζονται όλοι οι επιμέρους αλγόριθμοι που χρησιμοποιούνται καθώς και ο τρόπος με τον οποίον αυτοί αλληλεπιδρούν και συνεργάζονται για την δημιουργία του GCM αλγορίθμου. Στο τέλος του κεφαλαίου, αναφέρονται οι απαιτήσεις για key και IV που πρέπει να ικανοποιούνται για να θεωρείται ο αλγόριθμος κρυπτογραφικά ισχυρός. Στο Κεφάλαιο 5, αρχικά γίνεται μια top down ανάλυση του GCM. Η ανάλυση αυτή χρησιμοποιείται στην δεύτερη ενότητα όπου προτείνεται και αναλύεται η αρχιτεκτονική που χρησιμοποιήθηκε για την hardware υλοποίηση. Στην συνέχεια, αναλύονται τα βασικά δομικά στοιχεία του GCM. Στην τελευταία ενότητα αναφέρεται η δομή που χρησιμοποιήθηκε με σκοπό την υλοποίηση για high speed απαιτήσεις. Στο Κεφάλαιο 6, αρχικά γίνεται εισαγωγή στον μηχανισμό πιστοποίησης μηνυμάτων έτσι όπως αυτό υλοποιήθηκε. Στην συνέχεια , παραθέτονται τα αποτέλεσμα που προέκυψαν από την εξομοίωση του VHDL κώδικα. Ακολουθούν τα αποτελέσματα της σύνθεσης και σύγκριση μεταξύ διαφορετικών τρόπων υλοποίησης. Στο τέλος του κεφαλαίου γίνεται σύγκριση μεταξύ των δύο τεχνολογιών που χρησιμοποιήθηκαν για την σύνθεση. Στο κεφάλαιο 7, αρχικά γίνεται εισαγωγή στον τρόπο με τον οποίο ο μηχανισμός πιστοποίησης και κρυπτογράφησης μηνυμάτων συνεργάζονται. Στην δεύτερη ενότητα παραθέτεται ο τρόπος λειτουργίας του GCM μηχανισμού που υλοποιήθηκε. Ακολουθούν τα αποτελέσματα της εξομοίωσης. Στην τελευταία ενότητα παραθέτονται τα αποτέλεσμα σύνθεσης σε δύο διαφορετικές τεχνολογίες. Στο Παράρτημα Α παρουσιάζεται ο τρόπος χρήσης του Xilinx ISE που χρησιμοποιήθηκε για την σύνθεση του VHDL κώδικα για την τεχνολογία Virtex 5. Τέλος στο Παράρτημα Β παρουσιάζονται κάποια βασικά κομμάτια του κώδικα C. / The Galois/Counter Mode of Operation (GCM), recently standardized by NIST, simultaneously authenticates and encrypts data at speeds not previously possible for both software and hardware implementations. In GCM, data integrity is achieved by chaining Galois field multiplication operations while a symmetric key block cipher such as the Advanced Encryption Standard (AES), is used to meet goals of confidentiality.