Residue Number System Hardware Emulator and Instructions Generator

Residue Number System (RNS) is an alternative form of representing integers on which a large value gets represented by a set of smaller and independent integers. Cryptographic and signal filtering algorithms benefit from the use of RNS, due to its capabilities to increase performance and security. Herein, a simulation tool is presented which emulates the hardware implementation of an actual RNS co-processor. An “high-level to assembly” instructions generator is also built into this tool. The programmability and scalable architecture of the considered processor along with the high level description of the algorithm allows researchers and developers to easily evaluate and test their RNS algorithms on an actual architecture, using Java

On the Cryptanalysis of Public-Key Cryptography

Nowadays, the most popular public-key cryptosystems are based on either the integer factorization or the discrete logarithm problem. The feasibility of solving these mathematical problems in practice is studied and techniques are presented to speed-up the underlying arithmetic on parallel architectures. The fastest known approach to solve the discrete logarithm problem in groups of elliptic curves over finite fields is the Pollard rho method. The negation map can be used to speed up this calculation by a factor √2. It is well known that the random walks used by Pollard rho when combined with the negation map get trapped in fruitless cycles. We show that previously published approaches to deal with this problem are plagued by recurring cycles, and we propose effective alternative countermeasures. Furthermore, fast modular arithmetic is introduced which can take advantage of prime moduli of a special form using efficient "sloppy reduction." The effectiveness of these techniques is demonstrated by solving a 112-bit elliptic curve discrete logarithm problem using a cluster of PlayStation 3 game consoles: breaking a public-key standard and setting a new world record. The elliptic curve method (ECM) for integer factorization is the asymptotically fastest method to find relatively small factors of large integers. From a cryptanalytic point of view the performance of ECM gives information about secure parameter choices of some cryptographic protocols. We optimize ECM by proposing carry-free arithmetic modulo Mersenne numbers (numbers of the form 2M – 1) especially suitable for parallel architectures. Our implementation of these techniques on a cluster of PlayStation 3 game consoles set a new record by finding a 241-bit prime factor of 21181 – 1. A normal form for elliptic curves introduced by Edwards results in the fastest elliptic curve arithmetic in practice. Techniques to reduce the temporary storage and enhance the performance even further in the setting of ECM are presented. Our results enable one to run ECM efficiently on resource-constrained platforms such as graphics processing units

A survey of timing channels and countermeasures

A timing channel is a communication channel that can transfer information to a receiver/decoder by modulating the timing behavior of an entity. Examples of this entity include the interpacket delays of a packet stream, the reordering packets in a packet stream, or the resource access time of a cryptographic module. Advances in the information and coding theory and the availability of high-performance computing systems interconnected by high-speed networks have spurred interest in and development of various types of timing channels. With the emergence of complex timing channels, novel detection and prevention techniques are also being developed to counter them. In this article, we provide a detailed survey of timing channels broadly categorized into network timing channel, in which communicating entities are connected by a network, and in-system timing channel, in which the communicating entities are within a computing system. This survey builds on the last comprehensive survey by Zander et al. [2007] and considers all three canonical applications of timing channels, namely, covert communication, timing side channel, and network flow watermarking. We survey the theoretical foundations, the implementation, and the various detection and prevention techniques that have been reported in literature. Based on the analysis of the current literature, we discuss potential future research directions both in the design and application of timing channels and their detection and prevention techniques

On Security and Privacy for Networked Information Society : Observations and Solutions for Security Engineering and Trust Building in Advanced Societal Processes

Our society has developed into a networked information society, in which all aspects of human life are interconnected via the Internet — the backbone through which a significant part of communications traffic is routed. This makes the Internet arguably the most important piece of critical infrastructure in the world. Securing Internet communications for everyone using it is extremely important, as the continuing growth of the networked information society relies upon fast, reliable and secure communications. A prominent threat to the security and privacy of Internet users is mass surveillance of Internet communications. The methods and tools used to implement mass surveillance capabilities on the Internet pose a danger to the security of all communications, not just the intended targets. When we continue to further build the networked information upon the unreliable foundation of the Internet we encounter increasingly complex problems,which are the main focus of this dissertation. As the reliance on communication technology grows in a society, so does the importance of information security. At this stage, information security issues become separated from the purely technological domain and begin to affect everyone in society. The approach taken in this thesis is therefore both technical and socio-technical. The research presented in this PhD thesis builds security in to the networked information society and provides parameters for further development of a safe and secure networked information society. This is achieved by proposing improvements on a multitude of layers. In the technical domain we present an efficient design flow for secure embedded devices that use cryptographic primitives in a resource-constrained environment, examine and analyze threats to biometric passport and electronic voting systems, observe techniques used to conduct mass Internet surveillance, and analyze the security of Finnish web user passwords. In the socio-technical domain we examine surveillance and how it affects the citizens of a networked information society, study methods for delivering efficient security education, examine what is essential security knowledge for citizens, advocate mastery over surveillance data by the targeted citizens in the networked information society, and examine the concept of forced trust that permeates all topics examined in this work.Yhteiskunta, jossa elämme, on muovautunut teknologian kehityksen myötä todelliseksi tietoyhteiskunnaksi. Monet verkottuneen tietoyhteiskunnan osa-alueet ovat kokeneet muutoksen tämän kehityksen seurauksena. Tämän muutoksen keskiössä on Internet: maailmanlaajuinen tietoverkko, joka mahdollistaa verkottuneiden laitteiden keskenäisen viestinnän ennennäkemättömässä mittakaavassa. Internet on muovautunut ehkä keskeisimmäksi osaksi globaalia viestintäinfrastruktuuria, ja siksi myös globaalin viestinnän turvaaminen korostuu tulevaisuudessa yhä enemmän. Verkottuneen tietoyhteiskunnan kasvu ja kehitys edellyttävät vakaan, turvallisen ja nopean viestintäjärjestelmän olemassaoloa. Laajamittainen tietoverkkojen joukkovalvonta muodostaa merkittävän uhan tämän järjestelmän vakaudelle ja turvallisuudelle. Verkkovalvonnan toteuttamiseen käytetyt menetelmät ja työkalut eivät vain anna mahdollisuutta tarkastella valvonnan kohteena olevaa viestiliikennettä, vaan myös vaarantavat kaiken Internet-liikenteen ja siitä riippuvaisen toiminnan turvallisuuden. Kun verkottunutta tietoyhteiskuntaa rakennetaan tämän kaltaisia valuvikoja ja haavoittuvuuksia sisältävän järjestelmän varaan, keskeinen uhkatekijä on, että yhteiskunnan ydintoiminnot ovat alttiina ulkopuoliselle vaikuttamiselle. Näiden uhkatekijöiden ja niiden taustalla vaikuttavien mekanismien tarkastelu on tämän väitöskirjatyön keskiössä. Koska työssä on teknisen sisällön lisäksi vahva yhteiskunnallinen elementti, tarkastellaan tiukan teknisen tarkastelun sijaan aihepiirä laajemmin myös yhteiskunnallisesta näkökulmasta. Tässä väitöskirjassa pyritään rakentamaan kokonaiskuvaa verkottuneen tietoyhteiskunnan turvallisuuteen, toimintaan ja vakauteen vaikuttavista tekijöistä, sekä tuomaan esiin uusia ratkaisuja ja avauksia eri näkökulmista. Työn tavoitteena on osaltaan mahdollistaa entistä turvallisemman verkottuneen tietoyhteiskunnan rakentaminen tulevaisuudessa. Teknisestä näkökulmasta työssä esitetään suunnitteluvuo kryptografisia primitiivejä tehokkaasti hyödyntäville rajallisen laskentatehon sulautetuviiille järjestelmille, analysoidaan biometrisiin passeihin, kansainväliseen passijärjestelmään, sekä sähköiseen äänestykseen kohdistuvia uhkia, tarkastellaan joukkovalvontaan käytettyjen tekniikoiden toimintaperiaatteita ja niiden aiheuttamia uhkia, sekä tutkitaan suomalaisten Internet-käyttäjien salasanatottumuksia verkkosovelluksissa. Teknis-yhteiskunnallisesta näkökulmasta työssä tarkastellaan valvonnan teoriaa ja perehdytään siihen, miten valvonta vaikuttaa verkottuneen tietoyhteiskunnan kansalaisiin. Lisäksi kehitetään menetelmiä parempaan tietoturvaopetukseen kaikilla koulutusasteilla, määritellään keskeiset tietoturvatietouden käsitteet, tarkastellaan mahdollisuutta soveltaa tiedon herruuden periaatetta verkottuneen tietoyhteiskunnan kansalaisistaan keräämän tiedon hallintaan ja käyttöön, sekä tutkitaan luottamuksen merkitystä yhteiskunnan ydintoimintojen turvallisuudelle ja toiminnalle, keskittyen erityisesti pakotetun luottamuksen vaikutuksiin