Στόχος της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας είναι ο σχεδιασμός και υλοποίηση ενός Κρυπτογραφικού Συστήματος με βάση τον Αλγόριθμο κατακερματισμού JH. Ο σχεδιασμός του κρυπτογραφικού αυτού συστήματος έγινε με τη χρήση γλώσσας VHDL (Very High Speed Integrated Circuits hardware description language) και στη συνέχεια η υλοποίηση αυτή έγινε πάνω σε πλατφόρμα FPGA (Field Programmable Gate Array).
Ο αλγόριθμος JH είναι ένας αλγόριθμος κατακερματισμού (hash function) ο οποίος σχεδιάστηκε στα πλαίσια του διαγωνισμου κρυπτογραφιας NIST (National Institute of Standards and Technology). Η πρώτη του έκδοση έγινε στις 31 Οκτωβρίου 2008 ενώ η τελική του έκδοση έγινε στις 16 Ιανουαρίου 2011. Ο Αλγόριθμος JH έχει τρεις υποκατηγορίες. Υπάρχει ο JH-224, JH-256, JH-384 και ο JH-512.
Βασικό χαρακτηριστικό του αλγορίθμου αυτού είναι το γεγονός πώς οι λειτουργίες που συμβαίνουν σε κάθε γύρο είναι ίδιες. Επίσης σημαντικό γνώρισμα ειναι η ασφάλεια που παρέχει ο αλγόριθμος αυτός καθώς ο μεγάλος αριθμός των ενεργών S-boxes που χρησιμοποιούνται και ταυτόχρονα το γεγονός ότι σε κάθε γύρο χρησιμοποιείται ένα διαφορετικό κλειδι το οποίο παράγεται εκεινη τη στιγμή και δεν ειναι αποθηκευμένο σε ένα σημείο, στο οποίο θα μπορούσε κάποιος να επέμβει, κάνει το σύστημά μας εξαιρετικά δυνατό και ανθεκτικό απέναντι σε επιθέσεις όπως είναι η διαφορική κρυπτανάλυση.
Για την εξακρίβωση της ορθής λειτουργίας του συστήματος χρησιμοποιήθηκε μία υλοποίηση του Αλγορίθμου JH σε γλώσσα C. Χρησιμοποιώντας την υλοποίηση αυτή κάθε φορά που θέλουμε να κρυπτογραφήσουμε ένα μήνυμα το οποίο είναι μία σειρά από bit, λαμβάνουμε το κρυπτογραφημένο μήνυμα. Αυτο το κρυπτογραφημένο μήνυμα το συγκρίνουμε με αυτό που παίρνουμε στην έξοδο του συστήματος JH που σχεδιάσαμε και με αυτό το τρόπο επιβεβαιώνουμε την ορθότητα του αποτελέσματος.
Ύστερα από την non-pipelined υλοποίηση του συστήματος αυτού, χρησιμοποιήθηκε η τεχνική της συσωλήνωσης (pipeline). Πιο συγκεκριμένα εγιναν 4 διαφορετικές pipelined υλοποιήσεις με 2,3,6 και 7 στάδια. Σκοπός είναι για κάθε μία pipelined υλοποίηση να γίνει έλεγχος σε θέματα απόδοσης, κατανάλωσης ισχύος καθώς επίσης και σε θέματα επιφάνειας. Στη συνέχεια γίνεται μία σύγκριση στα προαναφερθέντα θέματα μεταξύ των διαφορετικών pipelined υλοποιήσεων και με την non-pipelined υλοποίηση του κρυπτογραφικού συστήματος JH. Επίσης αξίζει να σημειωθεί πώς γίνεται ιδιαίτερη αναφορά στο throughput και στο throughput per area των pipelined υλοποιήσεων.
Από τα πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν η JH NON PIPELINED υλοποίηση έχει απόδοση 97 MHz με κατανάλωση ισχύος 137mW και συνολική επιφάνεια 2284 slices σε SPARTAN 3E FPGA συσκευή. Ενώ από την ανάλυση της JH NON PIPELINED υλοποίησης και των 4 pipelined υλοποιήσεων σε 4 διαφορετικά FPGA (2 της οικογένειας SPARTAN και 2 της οικογένειας VIRTEX) συμπεραίνουμε πώς στην οικογένεια VIRTEX η κατανάλωση ισχύος είναι πάντα μεγαλύτερη σε σχεση με την οικογένεια SPARTAN. / The purpose of this Thesis Project is the design and implementation of a Cryptographic System using the JH Hash Algorithm. The design of this Cryptographic System was performed using the VHDL language (Very High Speed Integrated Circuits hardware description language) and then this implementation was executed on a FPGA platform (Field Programmable Gate Array).The JH Algorithm is a hash algorithm that was developed during the NIST (National Institute of Standards and Technology) Cryptography Competition. Its first version was released on 31 October 2008 while its last version was released on 16 January 2011. The JH Hash Algorithm has three subcategories. There is JH-224, JH-256, JH-384, and JH-512.
Basic characteristic of this Algorithm is the fact that the functions that are executed in each round are identical. Moreover important characteristic is the security that this Algorithm provides us while the big number of active S-Boxes that is used and in the same time the fact that in each round a different key is produced on the fly, and is not stored in a place that a third person could have access, makes our system really strong and resistant to attacks such as the differential attack.
To confirm the right functionality of the system the implementation of the JH Algorithm in C Language is used. Using this implementation each time we want to cipher a message, which is a sequence of bits, we get the message digest. This message digest is compared with the message digest that we get from the JH system that we developed with VHDL and in this way we confirm the correctness of the result.
After the non pipelined implementation of the JH system the pipeline technique was used. To be more specific 4 different pipelined implementations with 2, 3, 6 and 7 stages were performed. The target was to check the performance, area and power dissipation for each pipelined implementation. Next a comparison was performed between the various pipelined implementations and the non pipelined implementation for the above mentioned issues. In addition to this it is worth to mention that considerable reference is made for throughput and throughput per area for the pipelined implementations.
According to the experimental results the JH NON PIPELINED implementation has a performance of 97 MHz, with power dissipation of 137mW and a total area of 2284 Slices on SPARTAN 3E FPGA device. From the JH NON PIPELINED implementation and the other 4 pipelined implementations on 4 different FPGA Devices (2 from the VIRTEX family and 2 from the SPARTAN family) we concluded that the power dissipation is bigger in VIRTEX family devices in comparison to SPARTAN family Devices.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upatras.gr/oai:nemertes:10889/5288 |
| Date | 31 May 2012 |
| Creators | Μπάρδης, Δημήτριος |
| Contributors | Θεοδωρίδης, Γεώργιος, Bardis, Dimitrios, Θεοδωρίδης, Γεώργιος, Κουφοπαύλου, Οδυσσέας |
| Source Sets | University of Patras |
| Language | gr |
| Detected Language | Greek |
| Type | Thesis |
| Rights | 0 |
Page generated in 0.0027 seconds