Made available in DSpace on 2015-03-04T18:57:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 thesislira.pdf: 424545 bytes, checksum: 3be0b61d6afbfa339783da091155017b (MD5) Previous issue date: 2011-12-12 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnologico / Modular exponentiation algorithms play an important role in many asymmetric cryptography, random number generation and primality tests. This work proposes new techniques for parallelizing the algorithm of modular exponentiation methods both in terms of massive parallelism and load balancing techniques. The theoretical and practical results of the methods are assessed in this work. / Algoritmos de exponenciação modular tem sido utilizados de maneira central em grande parte da criptografia assimétrica, geração de números aleatórios e testes de primalidade. Este trabalho propõe novas técnicas de paralelização para o algoritmo de exponenciação modular que incluem métodos de paralelização massiva e balanceamento de carga. São avaliados resultados teóricos e práticos acerca dos métodos propostos.

Esta tese estuda a utilização da aritmética computacional para criptografia de chave pública (PKC Public-Key Cryptography) e investiga alternativas ao nível da arquitetura de sistema criptográfico em hardware que podem conduzir a uma redução no consumo de energia, considerando o baixo consumo de potência e o alto desempenho em dispositivos portáteis com energia limitada. A maioria desses dispositivos é alimentada por bateria. Embora o desempenho e a área de circuitos consistem desafios para o projetista de hardware, baixo consumo de energia se tornou uma preocupação em projetos de sistema críticos. A criptografia de chave pública é baseada em funções aritméticas como a exponenciação e multiplicação módulo. PKC prove um esquema de troca de chaves autenticada por meio de uma rede insegura entre duas entidades e fornece uma solução de grande segurança para a maioria das aplicações que devem trocar informações sensíveis. Multiplicação em módulo é largamente utilizada e essa operação aritmética é mais complexa porque os operandos são números extremamente grandes. Assim, métodos computacionais para acelerar as operações, reduzir o consumo de energia e simplificar o uso de tais operações, especialmente em hardware, são sempre de grande valor para os sistemas que requerem segurança de dados. Hoje em dia, um dos mais bem sucedidos métodos de multiplicação em módulo é a multiplicação de Montgomery. Os esforços para melhorar este método são sempre de grande importância para os projetistas de hardware criptográfico e de segurança em sistemas embarcados. Esta pesquisa trata de algoritmos para criptografia de baixo consumo de energia. Abrange as operações necessárias para implementações em hardware da exponenciação e da multiplicação em módulo. Em particular, esta tese propõe uma nova arquitetura para a multiplicação em módulo chamado \"Parallel k-Partition Montgomery Multiplication\" e um projeto inovador em hardware para calcular a exponenciação em módulo usando o sistema numérico por resíduos (RNS). / This thesis studies the use of computer arithmetic for Public-Key Cryptography (PKC) and investigates alternatives on the level of the hardware cryptosystem architecture that can lead to a reduction in the energy consumption by considering low power and high performance in energy-limited portable devices. Most of these devices are battery powered. Although performance and area are the two main hardware design goals, low power consumption has become a concern in critical system designs. PKC is based on arithmetic functions such as modular exponentiation and modular multiplication. It produces an authenticated key-exchange scheme over an insecure network between two entities and provides the highest security solution for most applications that must exchange sensitive information. Modular multiplication is widely used, and this arithmetic operation is more complex because the operands are extremely large numbers. Hence, computational methods to accelerate the operations, reduce the energy consumption, and simplify the use of such operations, especially in hardware, are always of great value for systems that require data security. Currently, one of the most successful modular multiplication methods is Montgomery Multiplication. Efforts to improve this method are always important to designers of dedicated cryptographic hardware and security in embedded systems. This research deals with algorithms for low-power cryptography. It covers operations required for hardware implementations of modular exponentiation and modular multiplication. In particular, this thesis proposes a new architecture for modular multiplication called Parallel k-Partition Montgomery Multiplication and an innovative hardware design to perform modular exponentiation using Residue Number System (RNS).

Esta tese estuda a utilização da aritmética computacional para criptografia de chave pública (PKC Public-Key Cryptography) e investiga alternativas ao nível da arquitetura de sistema criptográfico em hardware que podem conduzir a uma redução no consumo de energia, considerando o baixo consumo de potência e o alto desempenho em dispositivos portáteis com energia limitada. A maioria desses dispositivos é alimentada por bateria. Embora o desempenho e a área de circuitos consistem desafios para o projetista de hardware, baixo consumo de energia se tornou uma preocupação em projetos de sistema críticos. A criptografia de chave pública é baseada em funções aritméticas como a exponenciação e multiplicação módulo. PKC prove um esquema de troca de chaves autenticada por meio de uma rede insegura entre duas entidades e fornece uma solução de grande segurança para a maioria das aplicações que devem trocar informações sensíveis. Multiplicação em módulo é largamente utilizada e essa operação aritmética é mais complexa porque os operandos são números extremamente grandes. Assim, métodos computacionais para acelerar as operações, reduzir o consumo de energia e simplificar o uso de tais operações, especialmente em hardware, são sempre de grande valor para os sistemas que requerem segurança de dados. Hoje em dia, um dos mais bem sucedidos métodos de multiplicação em módulo é a multiplicação de Montgomery. Os esforços para melhorar este método são sempre de grande importância para os projetistas de hardware criptográfico e de segurança em sistemas embarcados. Esta pesquisa trata de algoritmos para criptografia de baixo consumo de energia. Abrange as operações necessárias para implementações em hardware da exponenciação e da multiplicação em módulo. Em particular, esta tese propõe uma nova arquitetura para a multiplicação em módulo chamado \"Parallel k-Partition Montgomery Multiplication\" e um projeto inovador em hardware para calcular a exponenciação em módulo usando o sistema numérico por resíduos (RNS). / This thesis studies the use of computer arithmetic for Public-Key Cryptography (PKC) and investigates alternatives on the level of the hardware cryptosystem architecture that can lead to a reduction in the energy consumption by considering low power and high performance in energy-limited portable devices. Most of these devices are battery powered. Although performance and area are the two main hardware design goals, low power consumption has become a concern in critical system designs. PKC is based on arithmetic functions such as modular exponentiation and modular multiplication. It produces an authenticated key-exchange scheme over an insecure network between two entities and provides the highest security solution for most applications that must exchange sensitive information. Modular multiplication is widely used, and this arithmetic operation is more complex because the operands are extremely large numbers. Hence, computational methods to accelerate the operations, reduce the energy consumption, and simplify the use of such operations, especially in hardware, are always of great value for systems that require data security. Currently, one of the most successful modular multiplication methods is Montgomery Multiplication. Efforts to improve this method are always important to designers of dedicated cryptographic hardware and security in embedded systems. This research deals with algorithms for low-power cryptography. It covers operations required for hardware implementations of modular exponentiation and modular multiplication. In particular, this thesis proposes a new architecture for modular multiplication called Parallel k-Partition Montgomery Multiplication and an innovative hardware design to perform modular exponentiation using Residue Number System (RNS).

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Given the evolution of the data communication field, and the resulting increase of the information flow in data, networks security became a major concern. Modern cryptographic methods are mathematically reliable. However their implementation in hardware leaks confidential information through side-channels like power consumption and electromagnetic emissions. Although performance issues are crucial for a hardware design, aspects of robustness against attacks based on side-channel informations have gained much attention in recent years. This work focuses on hardware architectures based on the RSA public-key algorithm, originally proposed in 1977 by Rivest, Shamir and Adleman. This algorithm has the modular exponentiation as its main operation and it is performed through successive modular multiplications. Because the RSA involves integers of 1024 bits or more, the inherent division of modular multiplications became the main concern. The Montgomery algorithm, proposed in 1985, is a largely used method for hardware designs of modular multiplications, because it avoids divisions and all operations are performed in a multiple-precision context with all terms represented in a numerical base, generally, a power of two. This dissertation proposes a systolic architecture able to perform the Montgomery modular multiplication with multiple-precision arithmetic. Following, an improvement to the systolic architecture is presented, through an architecture that computes the Montgomery multiplication by multiplexing the multi-precision arithmetic processes. The multiplexed architecture is employed in the left-to-right square-and-multiply and square-and-multiply always modular exponentiation methods and is subjected to SPA (Simple Power Analysis) and SEMA (Simple Electromagnetic Analysis) side-channel attacks and robustness aspects are analysed. Different word sizes (numerical bases) are applied as well as different input operands. As an improvement to SPA and SEMA attacks, the power consumption and electromagnetic traces are demodulated in amplitude to eliminate the clock harmonics influence in the acquired traces. Finally, interpretations, conclusions and countermeasure propositions to the multiplexed architecture against the implemented side-channel attacks are presented. / Com a expansão da área de comunicação de dados e o consequente aumento do fluxo de informações, a segurança tem se tornado uma grande preocupação. Apesar dos métodos criptográficos modernos serem matematicamente seguros, sua implementação em hardware tende a apresentar fugas de informações confidenciais por canais laterais, tais como consumo de potência e emissões eletromagnéticas. Embora questões de desempenho sejam cruciais para um projeto de hardware, aspectos de robustez contra ataques baseados em fugas de informações por canais laterais tem ganhado maior atenção nos últimos anos. Neste trabalho, explora-se arquiteturas em hardware voltadas para o algoritmo de chave pública RSA, originalmente proposto em 1977 por Rivest, Shamir e Adleman. Este algoritmo possui como principal operação a exponenciação modular, e esta é calculada através de sucessivas multiplicações modulares. Sendo que o RSA envolve números inteiros da ordem de 1024 bits ou mais, a operação de divisão inerente em multiplicações modulares torna-se o principal problema. O algoritmo de Montgomery, proposto em 1985, é um método bastante utilizado na implementação da multiplicação modular em hardware, pois além de evitar divisões, trabalha em um contexto de precisão múltipla com termos representados por bases numéricas, geralmente, potências de dois. Dentro deste contexto, propõe-se inicialmente uma arquitetura sistólica, baseada nas propriedades de aritmética de precisão múltipla do Algoritmo de Montgomery. Em seguida, apresenta-se uma melhoria para a arquitetura sistólica, através de uma arquitetura que realiza a multiplicação modular de Montgomery voltada à multiplexação dos processos aritméticos. A arquitetura multiplexada é empregada nos métodos de exponenciação modular left-to-right square-and-multiply e square-and-multiply always e é submetida a ataques por canais laterais SPA (Simple Power Analysis) e SEMA (Simple Electromagnetic Analysis) e aspectos de robustez da arquitetura multiplexada são analisados para diversos tamanhos de palavras (base numérica do algoritmo de Montgomery). Como proposta de melhoria aos ataques por canais laterais simples, os traços de consumo de potência e emissão eletromagnética são demodulados em amplitude de modo a eliminar a influência das harmônicas do sinal de clock sobre os traços coletados. Por fim, interpretações e conclusões dos resultados são apresentados, assim como propostas de contra-medidas para a arquitetura multiplexada com relação aos ataques por canais laterais realizados.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The expansion of the data communication, due to the large ow of information that pass through these systems has meant that the security becomes an item of constant concern. Even when considering the efficient encryption systems that exists today, which present relevant mathematical protection, some implementations in hardware of these systems will favor the leak of confidential information through side channels attacks, such as power consumption and electromagnetic radiation. Performance issues have fundamental importance in the design of a physical system, however aspects which make the system robust against side channel attacks has gotten more attention nowadays.This work focuses on hardware architectures based on the RSA public key algorithm, proposed by Rivest, Shamir and Adleman in 1977, which presents the modular exponentiation operation, calculated from several modular multiplications, as main operation. The RSA algorithm involves integers in order of 1024 or 2048 bits, so the division inherent in modular multiplications can become a major problem. In order to avoid these divisions, the Montgomery algorithm, proposed in 1985, appears as an efficient alternative. On this context, this dissertation presents a multiplexed architecture based on the properties of the Montgomery's algorithm. Forwarding, an improvement to this architecture is presented, implemented with the randomization of internal memories accesses, in order to increase system robustness against specialized side-channel attacks. Thus, the implemented architecture is exposed to side channels SPA (Simple Power Analysis) and SEMA (Simple Electromagnetig Analysis) and the aspects of security and robustness of the implemented system are evaluated and presented. / A constante expansão dos sistemas de comunicação de dados devido ao grande fluxo de informações que trafegam por estes sistemas tem feito com que a segurança se torne um item de constante preocupação. Mesmo ao considerar-se os eficientes sistemas de criptografia atuais, os quais apresentam relevante proteção matemática, a implementação em hardware destes sistemas tende a propiciar a fuga de informações confidenciais através de ataques por canais laterais, como consumo de potência e emissão eletromagnética. Mesmo sabendo-se que questões de desempenho tem fundamental importância no projeto de um sistema físico, aspectos que tornem o sistema robusto frente a ataques por canais laterais tem obtido maior atenção nos últimos anos. Neste trabalho apresentam-se arquiteturas implementadas em hardware para o cálculo do algoritmo de chave pública RSA, proposto por Rivest, Shamir e Adleman em 1977, o qual tem como principal operarção a exponenciação modular, calculada a partir de várias multiplicações modulares. Sabendo-se que o algoritmo RSA envolve números inteiros da ordem de 1024 ou 2048 bits, a divisão inerente em multiplicações modulares pode tornar-se o grande problema. A fim de que se evite estas divisões, o algoritmo de Montgomery, proposto em 1985, aparece como uma boa alternativa por também trabalhar em um contexto de precisão múltipla e com números na base numérica de potência de dois. Neste contexto apresenta-se inicialmente uma arquitetura multiplexada, baseada nas propriedades de execução do algoritmo de Montgomery. A seguir apresenta-se uma melhoria a esta arquitetura com a implementação da randomização dos acessos as memórias internas, com o objetivo de aumentar a robustez do sistema frente a ataques por canais laterais especializados. Sendo assim, a arquitetura implementada é submetida a ataques por canais laterais SPA (Simple Power Analysis) e SEMA (Simple Electromagnetig Analysis) e os aspectos de segurança e robustez do sistema implementado são analisados e apresentados.