Secure Remote Control and Configuration of FPX Platform in Gigabit Ethernet Environment

Because of its flexibility and high performance, reconfigurable logic functions implemented on the Field-programmable Port Extender (FPX ) are well suited for implementing network processing such as packet classification, filtering and intrusion detection functions. This project focuses on two key aspects of the FPX system. One is providing a Gigabit Ethernet interface by designing logic for a FPGA which is located on a line card. Address Resolution Protocol (ARP) packets are handled in hardware and Ethernet frames are processed and transformed into cells suitable for standard FPX application. The other effort is to provide a secure channel to enable remote control and configuration of the FPX system through public internet. A suite of security hardware cores were implemented that include the Advanced Encryption Standard (AES), Triple Data Encryption Standard (3DES), Hashed Message Authentication Code (HMAC), Message Digest Version 5 (MD5) and Secure Hash Algorithm (SHA-1). An architecture and an associated protocol have been developed which provide a secure communication channel between a control console and a hardware-based reconfigurable network node. This solution is unique in that it does not require a software process to run on the network stack, so that it has both higher performance and prevents the node from being hacked using traditional vulnerabilities found in common operating systems. The mechanism can be applied to the design and implementation of re-motely managed FPX systems. A hardware module called the Secure Control Packet Processor (SCPP) has been designed for a FPX based firewall. It utilizes AES or 3DES in Error Propagation Block Chaining (EPBC) mode to ensure data confidentiality and data integrity. There is also an authenticated engine that uses HMAC. to generate the acknowledgments. The system can protect the FPX system against attacks that may be sent over the control and configuration channel. Based on this infrastructure, an enhanced protocol is addressed that provides higher efficiency and can defend against replay attack. To support that, a control cell encryption module was designed and tested in the FPX system

Gigabit Networks

This chapter summarizes what we have learned in the past decade of research into extremely high throughput networks. Such networks are colloquially referred to as Gigabit Networks in reference to the billion bit per second throughput regime they now operate in. The engineering challenges are in the integration of fast transmission systems and high-performance engineering workstations

Physical Layer Encryption for Industrial Ethernet in Gigabit Optical Links

Industrial Ethernet is a technology widely spread in factory floors and critical infrastructures where a high amount of data need to be collected and transported. Fiber optic networks at gigabit rates fit well with that type of environments where speed, system performance and reliability are critical. In this work a new encryption method for high speed optical communications suitable for such kind of networks is proposed. This new encryption method consists of a symmetric streaming encryption of the 8b/10b data flow at PCS (Physical Coding Sublayer) level. It is carried out thanks to an FPE (Format Preserving Encryption) blockcipher working in CTR (Counter) mode. The overall system has been simulated and implemented in an FPGA (Field Programmable Gate Array). Thanks to experimental results it can be concluded that it is possible to cipher traffic at this physical level in a secure way. In addition, no overhead is introduced during encryption, getting minimum latency and maximum throughput

Physical Layer Encryption for Industrial Ethernet in Gigabit Optical Links

Industrial Ethernet is a technology widely spread in factory floors and critical infrastructures where a high amount of data need to be collected and transported. Fiber optic networks at gigabit rates fit well with that type of environment, where speed, system performance, and reliability are critical. In this paper, a new encryption method for high-speed optical communications suitable for such kinds of networks is proposed. This new encryption method consists of a symmetric streaming encryption of the 8b/10b data flow at physical coding sublayer level. It is carried out thanks to a format preserving encryption block cipher working in CTR (counter) mode. The overall system has been simulated and implemented in a field programmable gate array. Thanks to experimental results, it can be concluded that it is possible to cipher traffic at this physical level in a secure way. In addition, no overhead is introduced during encryption, getting minimum latency and maximum throughput

Self-synchronized Encryption for Physical Layer in 10Gbps Optical Links

In this work a new self-synchronized encryption method for 10 Gigabit optical links is proposed and developed. Necessary modifications to introduce this kind of encryption in physical layers based on 64b/66b encoding, such as 10GBase-R, have been considered. The proposed scheme encrypts directly the 64b/66b blocks by using a symmetric stream cipher based on an FPE (Format Preserving Encryption) block cipher operating in PSCFB (Pipelined Statistical Cipher Feedback) mode. One of the main novelties in this paper is the security analysis done for this mode. For the first time, an expression for the IND-CPA (Indistinguishability under Chosen-Plaintext Attack) advantage of any adversary over this scheme has been derived. Moreover, it has been concluded that this mode can be considered secure in the same way of traditional modes are. In addition, the overall system has been simulated and implemented in an FPGA (Field Programmable Gate Array). An encrypted optical link has been tested with Ethernet data frames, concluding that it is possible to cipher traffic at this level, getting maximum throughput and hiding traffic pattern from passive eavesdroppers

Digital Design of New Chaotic Ciphers for Ethernet Traffic

Durante los últimos años, ha habido un gran desarrollo en el campo de la criptografía, y muchos algoritmos de encriptado así como otras funciones criptográficas han sido propuestos.Sin embargo, a pesar de este desarrollo, hoy en día todavía existe un gran interés en crear nuevas primitivas criptográficas o mejorar las ya existentes. Algunas de las razones son las siguientes:• Primero, debido el desarrollo de las tecnologías de la comunicación, la cantidad de información que se transmite está constantemente incrementándose. En este contexto, existen numerosas aplicaciones que requieren encriptar una gran cantidad de datos en tiempo real o en un intervalo de tiempo muy reducido. Un ejemplo de ello puede ser el encriptado de videos de alta resolución en tiempo real. Desafortunadamente, la mayoría de los algoritmos de encriptado usados hoy en día no son capaces de encriptar una gran cantidad de datos a alta velocidad mientras mantienen altos estándares de seguridad.• Debido al gran aumento de la potencia de cálculo de los ordenadores, muchos algoritmos que tradicionalmente se consideraban seguros, actualmente pueden ser atacados por métodos de “fuerza bruta” en una cantidad de tiempo razonable. Por ejemplo, cuando el algoritmo de encriptado DES (Data Encryption Standard) fue lanzado por primera vez, el tamaño de la clave era sólo de 56 bits mientras que, hoy en día, el NIST (National Institute of Standards and Technology) recomienda que los algoritmos de encriptado simétricos tengan una clave de, al menos, 112 bits. Por otro lado, actualmente se está investigando y logrando avances significativos en el campo de la computación cuántica y se espera que, en el futuro, se desarrollen ordenadores cuánticos a gran escala. De ser así, se ha demostrado que algunos algoritmos que se usan actualmente como el RSA (Rivest Shamir Adleman) podrían ser atacados con éxito.• Junto al desarrollo en el campo de la criptografía, también ha habido un gran desarrollo en el campo del criptoanálisis. Por tanto, se están encontrando nuevas vulnerabilidades y proponiendo nuevos ataques constantemente. Por consiguiente, es necesario buscar nuevos algoritmos que sean robustos frente a todos los ataques conocidos para sustituir a los algoritmos en los que se han encontrado vulnerabilidades. En este aspecto, cabe destacar que algunos algoritmos como el RSA y ElGamal están basados en la suposición de que algunos problemas como la factorización del producto de dos números primos o el cálculo de logaritmos discretos son difíciles de resolver. Sin embargo, no se ha descartado que, en el futuro, se puedan desarrollar algoritmos que resuelvan estos problemas de manera rápida (en tiempo polinomial).• Idealmente, las claves usadas para encriptar los datos deberían ser generadas de manera aleatoria para ser completamente impredecibles. Dado que las secuencias generadas por generadores pseudoaleatorios, PRNGs (Pseudo Random Number Generators) son predecibles, son potencialmente vulnerables al criptoanálisis. Por tanto, las claves suelen ser generadas usando generadores de números aleatorios verdaderos, TRNGs (True Random Number Generators). Desafortunadamente, los TRNGs normalmente generan los bits a menor velocidad que los PRNGs y, además, las secuencias generadas suelen tener peores propiedades estadísticas, lo que hace necesario que pasen por una etapa de post-procesado. El usar un TRNG de baja calidad para generar claves, puede comprometer la seguridad de todo el sistema de encriptado, como ya ha ocurrido en algunas ocasiones. Por tanto, el diseño de nuevos TRNGs con buenas propiedades estadísticas es un tema de gran interés.En resumen, es claro que existen numerosas líneas de investigación en el ámbito de la criptografía de gran importancia. Dado que el campo de la criptografía es muy amplio, esta tesis se ha centra en tres líneas de investigación: el diseño de nuevos TRNGs, el diseño de nuevos cifradores de flujo caóticos rápidos y seguros y, finalmente, la implementación de nuevos criptosistemas para comunicaciones ópticas Gigabit Ethernet a velocidades de 1 Gbps y 10 Gbps. Dichos criptosistemas han estado basados en los algoritmos caóticos propuestos, pero se han adaptado para poder realizar el encriptado en la capa física, manteniendo el formato de la codificación. De esta forma, se ha logrado que estos sistemas sean capaces no sólo de encriptar los datos sino que, además, un atacante no pueda saber si se está produciendo una comunicación o no. Los principales aspectos cubiertos en esta tesis son los siguientes:• Estudio del estado del arte, incluyendo los algoritmos de encriptado que se usan actualmente. En esta parte se analizan los principales problemas que presentan los algoritmos de encriptado standard actuales y qué soluciones han sido propuestas. Este estudio es necesario para poder diseñar nuevos algoritmos que resuelvan estos problemas.• Propuesta de nuevos TRNGs adecuados para la generación de claves. Se exploran dos diferentes posibilidades: el uso del ruido generado por un acelerómetro MEMS (Microelectromechanical Systems) y el ruido generado por DNOs (Digital Nonlinear Oscillators). Ambos casos se analizan en detalle realizando varios análisis estadísticos a secuencias obtenidas a distintas frecuencias de muestreo. También se propone y se implementa un algoritmo de post-procesado simple para mejorar la aleatoriedad de las secuencias generadas. Finalmente, se discute la posibilidad de usar estos TRNGs como generadores de claves. • Se proponen nuevos algoritmos de encriptado que son rápidos, seguros y que pueden implementarse usando una cantidad reducida de recursos. De entre todas las posibilidades, esta tesis se centra en los sistemas caóticos ya que, gracias a sus propiedades intrínsecas como la ergodicidad o su comportamiento similar al comportamiento aleatorio, pueden ser una buena alternativa a los sistemas de encriptado clásicos. Para superar los problemas que surgen cuando estos sistemas son digitalizados, se proponen y estudian diversas estrategias: usar un sistema de multi-encriptado, cambiar los parámetros de control de los sistemas caóticos y perturbar las órbitas caóticas.• Se implementan los algoritmos propuestos. Para ello, se usa una FPGA Virtex 7. Las distintas implementaciones son analizadas y comparadas, teniendo en cuenta diversos aspectos tales como el consumo de potencia, uso de área, velocidad de encriptado y nivel de seguridad obtenido. Uno de estos diseños, se elige para ser implementado en un ASIC (Application Specific Integrate Circuit) usando una tecnología de 0,18 um. En cualquier caso, las soluciones propuestas pueden ser también implementadas en otras plataformas y otras tecnologías.• Finalmente, los algoritmos propuestos se adaptan y aplican a comunicaciones ópticas Gigabit Ethernet. En particular, se implementan criptosistemas que realizan el encriptado al nivel de la capa física para velocidades de 1 Gbps y 10 Gbps. Para realizar el encriptado en la capa física, los algoritmos propuestos en las secciones anteriores se adaptan para que preserven el formato de la codificación, 8b/10b en el caso de 1 Gb Ethernet y 64b/10b en el caso de 10 Gb Ethernet. En ambos casos, los criptosistemas se implementan en una FPGA Virtex 7 y se diseña un set experimental, que incluye dos módulos SFP (Small Form-factor Pluggable) capaces de transmitir a una velocidad de hasta 10.3125 Gbps sobre una fibra multimodo de 850 nm. Con este set experimental, se comprueba que los sistemas de encriptado funcionan correctamente y de manera síncrona. Además, se comprueba que el encriptado es bueno (pasa todos los test de seguridad) y que el patrón del tráfico de datos está oculto.<br /

Implications and Limitations of Securing an InfiniBand Network

The InfiniBand Architecture is one of the leading network interconnects used in high performance computing, delivering very high bandwidth and low latency. As the popularity of InfiniBand increases, the possibility for new InfiniBand applications arise outside the domain of high performance computing, thereby creating the opportunity for new security risks. In this work, new security questions are considered and addressed. The study demonstrates that many common traffic analyzing tools cannot monitor or capture InfiniBand traffic transmitted between two hosts. Due to the kernel bypass nature of InfiniBand, many host-based network security systems cannot be executed on InfiniBand applications. Those that can impose a significant performance loss for the network. The research concludes that not all network security practices used for Ethernet translate to InfiniBand as previously suggested and that an answer to meeting specific security requirements for an InfiniBand network might reside in hardware offload

FPGA based technical solutions for high throughput data processing and encryption for 5G communication: A review

The field programmable gate array (FPGA) devices are ideal solutions for high-speed processing applications, given their flexibility, parallel processing capability, and power efficiency. In this review paper, at first, an overview of the key applications of FPGA-based platforms in 5G networks/systems is presented, exploiting the improved performances offered by such devices. FPGA-based implementations of cloud radio access network (C-RAN) accelerators, network function virtualization (NFV)-based network slicers, cognitive radio systems, and multiple input multiple output (MIMO) channel characterizers are the main considered applications that can benefit from the high processing rate, power efficiency and flexibility of FPGAs. Furthermore, the implementations of encryption/decryption algorithms by employing the Xilinx Zynq Ultrascale+MPSoC ZCU102 FPGA platform are discussed, and then we introduce our high-speed and lightweight implementation of the well-known AES-128 algorithm, developed on the same FPGA platform, and comparing it with similar solutions already published in the literature. The comparison results indicate that our AES-128 implementation enables efficient hardware usage for a given data-rate (up to 28.16 Gbit/s), resulting in higher efficiency (8.64 Mbps/slice) than other considered solutions. Finally, the applications of the ZCU102 platform for high-speed processing are explored, such as image and signal processing, visual recognition, and hardware resource management