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.

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.

Voz sobre IP (ou VoIP) vem sendo adotada progressivamente não apenas por um grande número de empresas mas também por um número expressivo de pessoas, no Brasil e em outros países. Entretanto, essa crescente adoção de VoIP no mundo traz consigo algumas preocupações tais como ameaças e riscos de segurança, sobretudo no que diz respeito à autenticidade, privacidade e integridade da comunicação. Para proteger a sessão de mídia existem protocolos muito eficientes, como o Secure Real-time Transport Protocol (SRTP). Mas ele depende de uma chave secreta para tornar a comunicação segura de fato. Assim, uma boa estratégia é aproveitar o processo de sinalização que estabelece a sessão de mídia e negociar uma chave secreta de sessão que seja comum às partes comunicantes. Esse processo de sinalização é realizado por tipos específicos de protocolo tais como o Session Initiation Protocol (SIP), um protocolo de sinalização muito importante e que vem sendo usado cada vez mais por softphones para comunicação na Internet. Todavia, os riscos e ameaças mencionados já existem no próprio processo de sinalização e, dentre eles, o ataque do tipo man-in-the-middle é o mais perigoso, devido aos prejuízos que ele pode causar. Depois de fazer uma revisão bibliográfica dos riscos e ameaças inerentes ao SIP, bem como de seus mecanismos de segurança (analisando os pontos fortes e de atenção deles), foi possível originar um novo mecanismo de segurança, o qual é apresentado neste trabalho. O mecanismo proposto usa um protocolo para troca segura de informações o protocolo Massey-Omura o qual, quando combinado com emparelhamentos bilineares, provê ao SIP um melhor nível de segurança em todos os aspectos (autenticidade, privacidade e integridade). Além disso, o novo mecanismo é avaliado através de uma prova de conceito, na qual utilizou-se um softphone SIP funcional. A análise de segurança realizada e os resultados obtidos da prova de conceito fazem do mecanismo de segurança proposto uma alternativa viável para o SIP. / Voice over IP (or VoIP) has been progressively adopted not only by a great number of companies but also by an expressive number of people, in Brazil and in other countries. However, this increasing adoption of VoIP in the world brings some concerns such as security risks and threats, mainly on the authenticity, privacy and integrity of the communication. In order to protect the media session, efficient protocols like the Secure Real-time Transport Protocol (SRTP) have been used. However, it depends on a secret key to make the communication secure. Thus, a good strategy is to take advantage of the signaling process to establish the media session, and agree on a common secret session key between the communicating parties. This signaling process is performed by specific types of protocols such as the Session Initiation Protocol (SIP), a very important signaling protocol, which has been used more and more by softphones in the Internet communication. Nevertheless, those risks and threats already exist in the own signaling process and, among them, the man-in-the-middle attack is the worst of all due to its high danger degree. After doing a bibliographical revision of the SIP security risks and threats, as well as its security mechanisms (analyzing their advantages and drawbacks), it was possible to generate a new security mechanism, which is presented in this work. The proposed mechanism uses a protocol for secure information exchange the Massey-Omura protocol which, when combined with bilinear pairings, provides a better security level for SIP in all its aspects (authenticity, privacy and integrity). Besides this, the new mechanism is evaluated by a proof of concept, in the which a functional SIP softphone was used. The security analysis and the results obtained from the proof of concept, make the proposed security mechanism a viable alternative for SIP.

Trying to do two things at once decreases performance of one or both tasks in many cases compared to the situation when one performs each task by itself. The present thesis deals with the question why and in which cases these dual-task costs emerge and moreover, whether there are cases in which people are able to process two cognitive tasks at the same time without costs. In four experiments the influence of stimulus-response (S-R) compatibility, S-R modality pairings, interindividual differences, and practice on parallel processing ability of two tasks are examined. Results show that parallel processing is possible. Nevertheless, dual-task costs emerge when: the personal processing strategy is serial, the two tasks have not been practiced together, S-R compatibility of both tasks is low (e.g. when a left target has to be responded with a right key press and in the other task an auditorily presented “A” has to be responded by saying “B”), and modality pairings of both tasks are Non Standard (i.e., visual-spatial stimuli are responded vocally whereas auditory-verbal stimuli are responded manually). Results are explained with respect to executive-based (S-R compatibility) and content-based crosstalk (S-R modality pairings) between tasks. Finally, an alternative information processing account with respect to the central stage of response selection (i.e., the translation of the stimulus to the response) is presented. / Versucht man zwei Aufgaben zur gleichen Zeit zu erledigen, so verschlechtert sich die Leistung einer oder beider Aufgabe(n) im Vergleich zur Situation, in der man beide Aufgaben einzeln erledigt. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Frage, warum und unter welchen Umständen diese Doppelaufgabenkosten entstehen. Darüber hinaus geht sie der Frage nach, ob es Aufgabenkombinationen gibt, für die parallele Verarbeitung ohne Kosten gezeigt werden kann. In vier Experimenten wurde der Einfluss von Stimulus-Reaktion (S-R) Kompatibilität, S-R Modalitätspaarungen, interindividueller Unterschiede und Training auf das Parallelverarbeitungspotential zweier Aufgaben untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass parallele Verarbeitung generell möglich ist. Dennoch entstehen Doppelaufgabenkosten, wenn die persönliche Verarbeitungsstrategie seriell ist, die beiden Aufgaben nicht genügend zusammen trainiert wurden, die S-R Kompatibilität beider Aufgaben gering ist (z.B. wenn ein linker Zielreiz mit einem Druck auf die rechten Taste beantwortet und in der anderen Aufgabe ein auditiv präsentiertes „A“ mit der Aussprache eines „Bs“ beantwortet werden muss) und die Modalitätspaarungen beider Aufgaben Nicht-Standard sind (d.h. visuell-räumliche Stimuli mit vokalen und auditiv-verbale Stimuli mit manuellen Reaktionen beantwortet werden müssen). Die gewonnenen Ergebnisse werden durch „Crosstalk“ der exekutiven Signale (S-R Kompatibilität) und durch inhaltsbasierten „Crosstalk“ (S-R Modalitätspaarungen) erklärt. Weiterhin wird ein alternatives Modell der Informationsverarbeitung mit Hinblick auf die zentrale Phase der Antwortauswahl (d.h. die Phase in der die Stimulusinformation in eine Antwort übersetzt wird) vorgestellt.

Identy based cryptography has been, for a few recent years, the most active area of research and currently is of a great interest to the researchers groups. In general case the root of ID based cryptography is that user identifying data is used like a public key and so is no need of certificates for the user authentification. In this work we survey a few basic the most influent cryptoschemes. We attempt to answer what is needed for constructing an efficient IBE scheme. There are trustworthy cryptoschemes that uses elliptic curves and bilinear pairings in nowadays. We use these mathematical implements for efficient cryptoscheme too. And finally, there is a pilot software realization for this scheme.

Dans cette thèse, j'étudie deux aspects distincts de la cryptographie basée sur les courbes elliptiques et hyperelliptiques. Dans une première partie, je confronte deux méthodes de calcul de couplages, originales car ne reposant pas sur le traditionnel algorithme de Miller. Ainsi, dans [42], K. Stange calcula le couplage de Tate sur une courbe elliptique à partir d'un nouvel outil, les elliptic nets. Y. Uchida et S. Uchiyama généralisèrent ces objets au cas hyperelliptique ([47]), mais ne donnèrent un algorithme pour le calcul de couplages que dans le cas des courbes de genre 2. Mon premier travail dans cette thèse fut de donner cet algorithme pour le cas général. De leur côté, D. Lubicz et D. Robert donnèrent dans [28] une autre méthode de calcul de couplage, basée sur les fonctions thêta. Le second résultat de ma thèse est de réunifier ces deux méthodes : je montre que la formule de récurrence à la base des nets est une conséquence des formules d'addition des fonctions thêta utilisées dans l'algorithme de Lubicz et Robert. Dans la seconde partie de ma thèse, je me suis intéressé à l'algorithme de calcul d'index attaquant le problème du logarithme discret sur les courbes elliptiques et hyperelliptiques. Dans le cas elliptique, une des étapes principales de cette attaque repose sur les polynômes de Semaev. Je donne une nouvelle construction ces polynômes en utilisant la fonction sigma de Weierstrass, pour pouvoir ensuite les généraliser pour la première fois au cas hyperelliptique. / In this thesis, I study two different aspects of elliptic and hyperelliptic curves based cryptography.In the first part, I confront two methods of pairings computation, whose original feature is that they are not based the traditional Miller algorithm. Therefore, in [42], K. Stange computed Tate pairings on elliptic curves using a new tool, the elliptic nets. Y. Uchida and S. Uchiyama generalized these objects to hyperelliptic case ([47]), but they gave an algorithm for pairing computation only for the genus 2 case. My first work in this thesis was to give this algorithm for the general case. Meanwhile, D. Lubicz and D. Robert gave in [28] an other pairing computation method, based on theta functions. The second result of my thesis is the reunification of these two methods : I show that the recurrence equation which is the basis of nets theory is a consequence of the addition law of theta functions used in the Lubicz and Robert’s algorithm. In the second part, I study the index calculus algorithm attacking the elliptic and hyperelliptic curve discrete logarithm problem. In the elliptic case, one of the main steps of this attack requires the Semaev polynomials. I reconstruct these polynomials using Weierstrass sigma function, with the purpose of giving their first hyperelliptic generalization.

This work explores two methods for practical cryptography on mobile devices. The first method is a quantum-resistant key-exchange protocol proposed by Jao et al.. As the use of mobile devices increases, the deployment of practical cryptographic protocols designed for use on these devices is of increasing importance. Furthermore, we are faced with the possible development of a large-scale quantum computer in the near future and must take steps to prepare for this possibility. We describe the key-exchange protocol of Jao et al. and discuss their original implementation. We then describe our modifications to their scheme that make it suitable for use in mobile devices. Our code is between 18-26% faster (depending on the security level). The second is an highly optimized implementation of Miller's algorithm that efficiently computes the Optimal Ate pairing over Barreto-Naehrig curves proposed by Grewal et al.. We give an introduction to cryptographic pairings and describe the Tate pairing and its variants. We then proceed to describe Grewal et al.'s implementation of Miller's algorithm, along with their optimizations. We describe our use of hand-optimized assembly code to increase the performance of their implementation. For the Optimal Ate pairing over the BN-446 curve, our code is between 7-8% faster depending on whether the pairing uses affine or projective coordinates.

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:45:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 1613593 bytes, checksum: 9f102a91f9dec62a3656d30b4f7a490c (MD5) Previous issue date: 2010-02-24 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This study deals with the surface of the compact quotient M2=G where the surface M2 is either the Euclidean plane or the plane spherical or the hyperbolic plane, G is a group of isometries of their surfaces, and this group is generated by matching of edges of polygons. The Poincaré theorem that provides a method of finding the group of isometries G the functions that the pair of edges of the polygons involved. By using this theorem we construct two new pairings of generalized edges (Chapter 4) associated with the tessellations {12η 8,4} e {12μ 12,4}, respectively. These tessellations provide packing of spheres whose packing density is very close to the maximum 3/π. Such pairings are the starting point for finding codes with optimal transmission rates for Multiple-Input Multiple-Output (MIMO). / Este estudo aborda a construção de superfícies compactas pelo quociente M2/G onde a superfície M2 ou é o plano euclidiano, ou é o plano esférico, ou é o plano hiperbólico, G é um grupo de isometrias das respectivas superfícies e esse grupo é gerado pelos emparelhamentos de arestas dos polígonos. O Teorema de Poincaré fornece um método de encontrar o grupo de isometrias G que consiste das funções de emparelhamento de arestas dos polígonos associados. Mediante o uso deste teorema nós construímos dois novos emparelhamentos de arestas generalizados (Capítulo 4), associados as tesselações {12η 8,4} e {12μ 12,4}, respectivamente. Estas tesselações fornecem empacotamento de esferas cuja densidade de empacotamento é bem próxima do valor máximo 3/π. Tais emparelhamentos são o ponto de partida para a busca de códigos com ótimas taxas de transmissão para canais de múltiplas entradas e múltiplas e saídas (MIMO).

Orientador: Júlio César Lopez Hernández / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-19T05:47:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Aranha_DiegodeFreitas_D.pdf: 2545815 bytes, checksum: b630a80d0f8be161e6cb7519072882ed (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: O advento da criptografia assimétrica ou de chave pública possibilitou a aplicação de criptografia em novos cenários, como assinaturas digitais e comércio eletrônico, tornando-a componente vital para o fornecimento de confidencialidade e autenticação em meios de comunicação. Dentre os métodos mais eficientes de criptografia assimétrica, a criptografia de curvas elípticas destaca-se pelos baixos requisitos de armazenamento para chaves e custo computacional para execução. A descoberta relativamente recente da criptografia baseada em emparelhamentos bilineares sobre curvas elípticas permitiu ainda sua flexibilização e a construção de sistemas criptográficos com propriedades inovadoras, como sistemas baseados em identidades e suas variantes. Porém, o custo computacional de criptossistemas baseados em emparelhamentos ainda permanece significativamente maior do que os assimétricos tradicionais, representando um obstáculo para sua adoção, especialmente em dispositivos com recursos limitados. As contribuições deste trabalho objetivam aprimorar o desempenho de criptossistemas baseados em curvas elípticas e emparelhamentos bilineares e consistem em: (i) implementação eficiente de corpos binários em arquiteturas embutidas de 8 bits (microcontroladores presentes em sensores sem fio); (ii) formulação eficiente de aritmética em corpos binários para conjuntos vetoriais de arquiteturas de 64 bits e famílias mais recentes de processadores desktop dotadas de suporte nativo à multiplicação em corpos binários; (iii) técnicas para implementação serial e paralela de curvas elípticas binárias e emparelhamentos bilineares simétricos e assimétricos definidos sobre corpos primos ou binários. Estas contribuições permitiram obter significativos ganhos de desempenho e, conseqüentemente, uma série de recordes de velocidade para o cálculo de diversos algoritmos criptográficos relevantes em arquiteturas modernas que vão de sistemas embarcados de 8 bits a processadores com 8 cores / Abstract: The development of asymmetric or public key cryptography made possible new applications of cryptography such as digital signatures and electronic commerce. Cryptography is now a vital component for providing confidentiality and authentication in communication infra-structures. Elliptic Curve Cryptography is among the most efficient public-key methods because of its low storage and computational requirements. The relatively recent advent of Pairing-Based Cryptography allowed the further construction of flexible and innovative cryptographic solutions like Identity-Based Cryptography and variants. However, the computational cost of pairing-based cryptosystems remains significantly higher than traditional public key cryptosystems and thus an important obstacle for adoption, specially in resource-constrained devices. The main contributions of this work aim to improve the performance of curve-based cryptosystems, consisting of: (i) efficient implementation of binary fields in 8-bit microcontrollers embedded in sensor network nodes; (ii) efficient formulation of binary field arithmetic in terms of vector instructions present in 64-bit architectures, and on the recently-introduced native support for binary field multiplication in the latest Intel microarchitecture families; (iii) techniques for serial and parallel implementation of binary elliptic curves and symmetric and asymmetric pairings defined over prime and binary fields. These contributions produced important performance improvements and, consequently, several speed records for computing relevant cryptographic algorithms in modern computer architectures ranging from embedded 8-bit microcontrollers to 8-core processors / Doutorado / Ciência da Computação / Doutor em Ciência da Computação

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