ASSESSING AND IMPROVING THE RELIABILITY AND SECURITY OF CIRCUITS AFFECTED BY NATURAL AND INTENTIONAL FAULTS

The reliability and security vulnerability of modern electronic systems have emerged as concerns due to the increasing natural and intentional interferences. Radiation of high-energy charged particles generated from space environment or packaging materials on the substrate of integrated circuits results in natural faults. As the technology scales down, factors such as critical charge, voltage supply, and frequency change tremendously that increase the sensitivity of integrated circuits to natural faults even for systems operating at sea level. An attacker is able to simulate the impact of natural faults and compromise the circuit or cause denial of service. Therefore, instead of utilizing different approaches to counteract the effect of natural and intentional faults, a unified countermeasure is introduced. The unified countermeasure thwarts the impact of both reliability and security threats without paying the price of more area overhead, power consumption, and required time. This thesis first proposes a systematic analysis method to assess the probability of natural faults propagating the circuit and eventually being latched. The second part of this work focuses on the methods to thwart the impact of intentional faults in cryptosystems. We exploit a power-based side-channel analysis method to analyze the effect of the existing fault detection methods for natural faults on fault attack. Countermeasures for different security threats on cryptosystems are investigated separately. Furthermore, a new micro-architecture is proposed to thwart the combination of fault attacks and side-channel attacks, reducing the fault bypass rate and slowing down the key retrieval speed. The third contribution of this thesis is a unified countermeasure to thwart the impact of both natural faults and attacks. The unified countermeasure utilizes dynamically alternated multiple generator polynomials for the cyclic redundancy check (CRC) codec to resist the reverse engineering attack

Security and complexity of the McEliece cryptosystem based on QC-LDPC codes

In the context of public key cryptography, the McEliece cryptosystem represents a very smart solution based on the hardness of the decoding problem, which is believed to be able to resist the advent of quantum computers. Despite this, the original McEliece cryptosystem, based on Goppa codes, has encountered limited interest in practical applications, partly because of some constraints imposed by this very special class of codes. We have recently introduced a variant of the McEliece cryptosystem including low-density parity-check codes, that are state-of-the-art codes, now used in many telecommunication standards and applications. In this paper, we discuss the possible use of a bit-flipping decoder in this context, which gives a significant advantage in terms of complexity. We also provide theoretical arguments and practical tools for estimating the trade-off between security and complexity, in such a way to give a simple procedure for the system design.Comment: 22 pages, 1 figure. This paper is a preprint of a paper accepted by IET Information Security and is subject to Institution of Engineering and Technology Copyright. When the final version is published, the copy of record will be available at IET Digital Librar

Roadmap on optical security

Postprint (author's final draft

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 /

LEDAcrypt: QC-LDPC Code-Based Cryptosystems with Bounded Decryption Failure Rate

We consider the QC-LDPC code-based cryptosystems named LEDAcrypt, which are under consideration by NIST for the second round of the post-quantum cryptography standardization initiative. LEDAcrypt is the result of the merger of the key encapsulation mechanism LEDAkem and the public-key cryptosystem LEDApkc, which were submitted to the first round of the same competition. We provide a detailed quantification of the quantum and classical computational efforts needed to foil the cryptographic guarantees of these systems. To this end, we take into account the best known attacks that can be mounted against them employing both classical and quantum computers, and compare their computational complexities with the ones required to break AES, coherently with the NIST requirements. Assuming the original LEDAkem and LEDApkc parameters as a reference, we introduce an algorithmic optimization procedure to design new sets of parameters for LEDAcrypt. These novel sets match the security levels in the NIST call and make the C reference implementation of the systems exhibit significantly improved figures of merit, in terms of both running times and key sizes. As a further contribution, we develop a theoretical characterization of the decryption failure rate (DFR) of LEDAcrypt cryptosystems, which allows new instances of the systems with guaranteed low DFR to be designed. Such a characterization is crucial to withstand recent attacks exploiting the reactions of the legitimate recipient upon decrypting multiple ciphertexts with the same private key, and consequentially it is able to ensure a lifecycle of the corresponding key pairs which can be sufficient for the wide majority of practical purposes

Privacy-preserving information hiding and its applications

The phenomenal advances in cloud computing technology have raised concerns about data privacy. Aided by the modern cryptographic techniques such as homomorphic encryption, it has become possible to carry out computations in the encrypted domain and process data without compromising information privacy. In this thesis, we study various classes of privacy-preserving information hiding schemes and their real-world applications for cyber security, cloud computing, Internet of things, etc. Data breach is recognised as one of the most dreadful cyber security threats in which private data is copied, transmitted, viewed, stolen or used by unauthorised parties. Although encryption can obfuscate private information against unauthorised viewing, it may not stop data from illegitimate exportation. Privacy-preserving Information hiding can serve as a potential solution to this issue in such a manner that a permission code is embedded into the encrypted data and can be detected when transmissions occur. Digital watermarking is a technique that has been used for a wide range of intriguing applications such as data authentication and ownership identification. However, some of the algorithms are proprietary intellectual properties and thus the availability to the general public is rather limited. A possible solution is to outsource the task of watermarking to an authorised cloud service provider, that has legitimate right to execute the algorithms as well as high computational capacity. Privacypreserving Information hiding is well suited to this scenario since it is operated in the encrypted domain and hence prevents private data from being collected by the cloud. Internet of things is a promising technology to healthcare industry. A common framework consists of wearable equipments for monitoring the health status of an individual, a local gateway device for aggregating the data, and a cloud server for storing and analysing the data. However, there are risks that an adversary may attempt to eavesdrop the wireless communication, attack the gateway device or even access to the cloud server. Hence, it is desirable to produce and encrypt the data simultaneously and incorporate secret sharing schemes to realise access control. Privacy-preserving secret sharing is a novel research for fulfilling this function. In summary, this thesis presents novel schemes and algorithms, including: • two privacy-preserving reversible information hiding schemes based upon symmetric cryptography using arithmetic of quadratic residues and lexicographic permutations, respectively. • two privacy-preserving reversible information hiding schemes based upon asymmetric cryptography using multiplicative and additive privacy homomorphisms, respectively. • four predictive models for assisting the removal of distortions inflicted by information hiding based respectively upon projection theorem, image gradient, total variation denoising, and Bayesian inference. • three privacy-preserving secret sharing algorithms with different levels of generality

Soft Processing Techniques for Quantum Key Distribution Applications

This thesis deals with soft-information based information reconciliation and data sifting for Quantum Key Distribution (QKD). A novel composite channel model for QKD is identified, which includes both a hard output quantum channel and a soft output classic channel. The Log-Likelihood Ratios, - also called soft-metrics - derived from the two channels are jointly processed at the receiver, exploiting capacity achieving soft-metric based iteratively decoded block codes. The performance of the proposed mixed-soft-metric algorithms are studied via simulations as a function of the system parameters. The core ideas of the thesis are employing Forward Error Correction (FEC) coding as opposed to two-way communication for information reconciliation in QKD schemes, exploiting all the available information for data processing at the receiver including information available from the quantum channel, since optimized use of this information can lead to significant performance improvement, and providing a security versus secret-key rate trade-off to the end-user within the context of QKD system