Σκοπός αυτής της διπλωαμτικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός και η υλοποίηση (σε γλώσσα περιγραφής υλικού VHDL) των κρυπτογραφικών αλγορίθμων SHA-1 και SHA-256. Απώτερος στόχος υπήρξε η σύγκριση και αξιολόγηση της κάθε υλοποίησης για να επιτευχθεί όσο το δυνατόν καλύτερο throughput/area. Οι τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν ήταν η βελτίωση του αλγορίθμου μαζί με την τεχνική της διοχέτευσης. / Aim of this work is the planning and the concretisation (in VHDL)of the cryptographic algorithms SHA-1 and SHA-256. Final objective is the comparison and evaluation of each concretisation in order to achieve optimum throughput/area. The techniques that were used were the improvement of algorithm with the technique of pipeline.

With the advent of big data era, there is countless data produced from various kinds of machines every second. These data are used to help people to do studies, produce goods, improve the efficiency of the industrial development, and so on. Especially considering the Internet of things which connects all the smart machines together, the importance of data integrity gets unprecedented attention from us. In order to keep the data integrity, blockchain comes to its birth using its own structure to guarantee the data integrity efficiently. This project is focus on the simulation of data system based on the blockchain in the background of industrial internet of things which is shown in a form of a website with coding language jade and the environment is Node.Js. The main task is to measure the time consumed in the process of block mining under different parameters include data length, nonce, difficulty, sensor number in order to find the correlation between block mining time and different parameters. Thus, the rule about the impact of different parameter on the mining time are concluded. According to the rule I found, the evaluation about scalability, efficiency and safety of this system are given and I also summarize two formulas to calculate the efficiency of block mining. Ethical consideration and future work are addressed in the conclusion part.

In the latest years, the public’s interest in blockchain technology has been growing since it was brought up in 2008, primarily because of its ability to create an immutable ledger, for storing information that never will or can be changed. As an expanding chain structure, the act of nodes adding blocks to the chain is called mining which is regulated by consensus mechanism. In the most widely used consensus mechanism Proof of work, this process is based on computationally heavy guessing of hashes of blocks. Today, there are several prominent ways developed of performing this guessing, thanks to the development of hardware technology, either using the regular all-rounded computer processing unit (CPU), or using the more specialized graphics processing unit (GPU), or using dedicated hardware. This thesis studied the working principles of blockchain, implemented the crucial hash function used in Proof of Work consensus mechanism and other blockchain structures with the popular programming language Java on various platforms. CPU implementation is done with Java’s built-in functions and for GPU I used OpenCL ’ s Java binding JOCL. This project gives a quantified measurement for hash rate on different devices, determines that all the GPUs tested advantage over CPUs in performance and memory consumption. Java’s built-in function is easier to use but both of the implementations are doing well in platform independent that the same code can easily be executed on different platforms. Furthermore, based on the measurements, I did in-depth exploration of the principles and proposed future work, analyzed their application values combined with future possibilities of blockchain based on implementation difficulties and performance.

The emerging topic, symmetric encryption technique for digital imagesusing chaotic function and DNA bases has recently drawn a lot ofattentions from the research community. The use of voice and visualmaterial as an addition to textual data has become more widespread.Multimedia content, the core of which is the digital image, has becomean earth-shaking element in prospective information transmission. Thismeans that multimedia contents such as audio, video and images haveto be transmitted over communication channels securely using newencryption techniques.Chaos theory is a widely studied topic in non-linear dynamics becauseof features like periodicity, sensitivity to initial conditions and controlparameters. The lower dimensional discrete chaotic functions are simpleand efficient to generate a pseudo-random sequence for encryption.However, DNA cryptography is an additional weapon in thecryptographer’s armoury. Characteristics such as of vast parallelism andlarge storage capacity make it a very promising field. The algorithmsbased on DNA and discrete chaotic functions use the advantages of bothfields to provide image protection in an effective way.Traditional digital cryptosystems like DES, AES and RSA are designedprimarily for textual data, which does not fit the multimedia streambecause of the essential structures of image data such as large size, solidpixel correlation and high redundancy, which incurs significantoverhead. Also, in conventional cryptographic techniques, thedecrypted data is exactly the same as plaintext data.To solve this problem, symmetric encryption aims to provide sufficientsecurity with an important gain in computational complexity anddelays, thereby making the cipher suitable for real time applications.This study uses an encryption approach by adding adjacent rows andcolumns of plain text after converting into DNA bases in order to reducethe encryption overhead. To improve the use of DNA complementary rules in a better and moredynamic way, and to incorporate DNA diffusion prior to the encryptionalgorithm, a complete set of DNA complementary rules is employed inthe encryption and decryption process. The selection of DNA rules foreach block is made depending on the chaotic sequence. The initialconditions and control parameters of the chaotic maps are madedepending on the 256-bits hash value which is generated from a plainimage to avoid chosen plaintext attacks.

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

Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα μελετήσουμε τις διαδικασίες της κρυπτογράφησης και της αποκρυπτογράφησης. Θα αναφερθούμε στους λόγους που τις έκαναν δημοφιλείς σε πολλά πεδία εφαρμογής (μαθηματικά, εμπόριο, στρατός κ.α). Ιδιαίτερη αναφορά θα γίνει στους κρυπτογραφικούς αλγορίθμους SHA-256 και SHA-512. Θα μελετήσουμε τη δομή τους και τον τρόπο λειτουργίας τους. Στη συνέχεια θα μελετήσουμε πως μπορούμε σε ένα κύκλωμα να συνδυάσουμε τόσο τη λειτουργία του αλγορίθμου SHA-256, όσο και του SHA-512. Το καινούργιο αυτό κύκλωμα καλείται multi-mode. Τέλος, θα χρησιμοποιήσουμε το Modelsim για την εξομοίωση των αλγορίθμων και το εργαλείο Xilinx ISE θα βοηθήσει στη σύνθεσή τόσο των μεμονωμένων αλγορίθμων, όσο και του multi-mode κυκλώματος. / In this diploma thesis, we will study the process of encryption and decryption. We will refer to the reasons why these processes are so popular in many fields (mathematics, trade, army, etc). A special reference will be made in the cryptographic algorithms SHA-256 and SHA-512. We will study their structure and function. Furthermore, we will discuss the two above mentioned algorithms can be operated in the same circuit. This is called multi-mode. Finally, we will use Modelsim in order to compile our algorithms and Xilinx ISE for the synthesis not only for the stand-alone algorithms, but for the multi-mode circuit, as well.

Οι κρυπτογραφικές συναρτήσεις κατακερματισμού αποτελούν στις μέρες μας ένα από τα δημοφιλέστερα συστατικά των κρυπτογραφικών συστημάτων, λόγω των ιδιαίτερων ιδιοτήτων τους. Λαμβάνοντας υπόψη τη συνεχή αύξηση του όγκου δεδομένων και των ταχυτήτων επικοινωνίας, η χρήση μιας συνάρτησης κατακερματισμού με χαμηλή ρυθμοαπόδοση μπορεί να επιβραδύνει το συνολικό ψηφιακό τηλεπικοινωνιακό σύστημα. Ο σχεδιασμός ενός δεδομένου αλγορίθμου κατακερματισμού ώστε να έχει τη βέλτιστη ρυθμοαπόδοση αποτελεί ζήτημα μεγάλης σημασίας. Στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία παρουσιάζεται μια μεθοδολογία σχεδιασμού με στόχο τη βέλτιστη ρυθμοαπόδοση κρυπτογραφικών αλγορίθμων που βασίζονται σε συγκεκριμένη επαναληπτική μορφή. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε ένα λογισμικό, που συνδυάζει δύο τεχνικές, τον επαναχρονισμό και την ξεδίπλωση, παράγοντας το βέλτιστο σχεδιαστικό αποτέλεσμα. Η μεθοδολογία εφαρμόστηκε σε δύο δημοφιλείς συναρτήσεις κατακερματισμού, τις SHA-1 και SHA-256. Οι μετασχηματισμένοι αλγόριθμοι συνθέθηκαν και υλοποιήθηκαν σε FPGA, επιβεβαιώνοντας την αποτελεσματικότητα της μεθόδου. / Nowadays, cryptographic hash functions are one of the most popular primitive components in the cryptographic systems, due to their key features. Considering that data sizes and communication speeds are increasing every year, the use of a hash algorithm with low throughput can be a bottle neck in the digital communication system. Designing a given hash algorithm to be throughput optimum is a critical issue. In this diploma thesis a design methodology is presented which oprimizes the throughput of cryptographic hash functions that rely on a specific iterative structure. For this purpose, a software was designed combining two techniques, retiming and unfolding, that generates the optimal throughput design. The methodology was applied to two popular hash algorithms, SHA-1 and SHA-256. The transformed algorithms were synthesized and implemented in a FPGA device, confirming its effectiveness.

Satellite navigation (such as GPS) has become widely successful and is used by billions of users daily. Accuratepositioning and timing has a wide range of applications and is increasingly being integrated in safety criticalsystems such as autonomous operations, traffic management, navigation for airplanes and other vehicles. Thesecurity and vulnerabilities of satellite navigation is however often not considered in the same way as for exampledata security, even though the high efficacy of spoofing with off-the-self software-defined radio (SDR) has beendemonstrated repeatedly. The lack of concern comes partially from the lack of options as satellite navigationauthentication has not previously existed in the civil domain.This work benchmarks the anti-spoofing and signal level measurements of commercial receivers in both simulatedand real-world scenarios and implements additional anti-spoofing measures. The additional anti-spoofingmeasures are implemented using no additional information than what the receiver should already have accessto in any modern commercial vehicle. Upcoming EU regulation 2021/1228 for vehicles used in internationaltransport will also mandate the use of these three anti-spoofing measures by August 2023. Here receiver time isverified by the means of Network Time Protocol (NTP) and real time clock (RTC); receiver motion is verifiedby the means of dead reckoning and inertial measurement unit (IMU); receiver navigation data is verified by themeans of asymmetric cryptography and Galileo Open Service Navigation Message Authentication (OSNMA).The computational overhead is analyzed as well as cost and worldwide Market feasibility. We estimate thateven basic timing devices would only have to perform one NTP request every 17 days and a microcontrollerpowerful enough to do OSNMA costs less than $2. Finally, the benefits of multi-band receivers and futuredevelopments in both the user and space segments are discussed.

Master's Thesis is studying an extension that secures the domain name system by introducing the verifiability of authenticity of data, known as DNSSEC. Productive output is proposal of application and its subsequent implementation that at each stage of browse the namespace to the selected domain name checks the appropriatenesses of this extension and in detail reports the trusted chain.