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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsm.br:1/5371 |
| Date | 15 April 2011 |
| Creators | Perin, Guilherme |
| Contributors | Martins, João Baptista dos Santos, Calazans, Ney Laert Vilar, Baggio, José Eduardo |
| Publisher | Universidade Federal de Santa Maria, Programa de Pós-Graduação em Informática, UFSM, BR, Ciência da Computação |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSM, instname:Universidade Federal de Santa Maria, instacron:UFSM |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 100300000007, 400, 500, 300, 300, 300, 387c22c8-ee71-42c2-bef6-6512bce38747, 35857b33-74f8-436c-b48b-84a332b7cdc3, e162d27b-322e-4e35-8c1a-afbdb6cf5d45, 68fcd88c-4449-4101-9e02-bbd4d7f3ecd2 |
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