Parametric, Secure and Compact Implementation of RSA on FPGA

We present a fast, efficient, and parameterized modular multiplier and a secure exponentiation circuit especially intended for FPGAs on the low end of the price range. The design utilizes dedicated block multipliers as the main functional unit and Block-RAM as storage unit for the operands. The adopted design methodology allows adjusting the number of multipliers, the radix used in the multipliers, and number of words to meet the system requirements such as available resources, precision and timing constraints. The architecture, based on the Montgomery modular multiplication algorithm, utilizes a pipelining technique that allows concurrent operation of hardwired multipliers. Our design completes 1020-bit and 2040-bit modular multiplications in 7.62 μs and 27.0 μs, respectively. The multiplier uses a moderate amount of system resources while achieving the best area-time product in literature. 2040-bit modular exponentiation engine can easily fit into Xilinx Spartan-3E 500; moreover the exponentiation circuit withstands known side channel attacks

Customisable arithmetic hardware designs

Imperial Users onl

Trusted SoC Realization for Remote Dynamic IP Integration

Heutzutage bieten field-programmable gate arrays (FPGAs) enorme Rechenleistung und Flexibilität. Zudem sind sie oft auf einem einzigen Chip mit eingebetteten Multicore-Prozessoren, DSP-Engines und Speicher-Controllern integriert. Dadurch sind sie für große und komplexe Anwendungen geeignet. Gleichzeitig führten die Fortschritte auf dem Gebiet der High-Level-Synthese und die Verfügbarkeit standardisierter Schnittstellen (wie etwa das Advanced eXtensible Interface 4) zur Entwicklung spezialisierter und neuartiger Funktionalitäten durch Designhäuser. All dies schuf einen Bedarf für ein Outsourcing der Entwicklung oder die Lizenzierung von FPGA-IPs (Intellectual Property). Ein Pay-per-Use IP-Lizenzierungsmodell, bei dem diese IPs vor allen Marktteilnehmern geschützt sind, kommt den Entwicklern der IPs zugute. Außerdem handelt es sich bei den Entwicklern von FPGA-Systemen in der Regel um kleine bis mittlere Unternehmen, die in Bezug auf die Markteinführungszeit und die Kosten pro Einheit von einem solchen Lizenzierungsmodell profitieren können. Im akademischen Bereich und in der Industrie gibt es mehrere IP-Lizenzierungsmodelle und Schutzlösungen, die eingesetzt werden können, die jedoch mit zahlreichen Sicherheitsproblemen behaftet sind. In einigen Fällen verursachen die vorgeschlagenen Sicherheitsmaßnahmen einen unnötigen Ressourcenaufwand und Einschränkungen für die Systementwickler, d. h., sie können wesentliche Funktionen ihres Geräts nicht nutzen. Darüber hinaus lassen sie zwei funktionale Herausforderungen außer Acht: das Floorplanning der IP auf der programmierbaren Logik (PL) und die Generierung des Endprodukts der IP (Bitstream) unabhängig vom Gesamtdesign. In dieser Arbeit wird ein Pay-per-Use-Lizenzierungsschema vorgeschlagen und unter Verwendung eines security framework (SFW) realisiert, um all diese Herausforderungen anzugehen. Das vorgestellte Schema ist pragmatisch, weniger restriktiv für Systementwickler und bietet Sicherheit gegen IP-Diebstahl. Darüber hinaus werden Maßnahmen ergriffen, um das System vor einem IP zu schützen, das bösartige Schaltkreise enthält. Das „Secure Framework“ umfasst ein vertrauenswürdiges Betriebssystem, ein reichhaltiges Betriebssystem, mehrere unterstützende Komponenten (z. B. TrustZone- Logik, gegen Seitenkanalangriffe (SCA) resistente Entschlüsselungsschaltungen) und Softwarekomponenten, z. B. für die Bitstromanalyse. Ein Gerät, auf dem das SFW läuft, kann als vertrauenswürdiges Gerät betrachtet werden, das direkt mit einem Repository oder einem IP-Core-Entwickler kommunizieren kann, um IPs in verschlüsselter Form zu erwerben. Die Entschlüsselung und Authentifizierung des IPs erfolgt auf dem Gerät, was die Angriffsfläche verringert und es weniger anfällig für IP-Diebstahl macht. Außerdem werden Klartext-IPs in einem geschützten Speicher des vertrauenswürdigen Betriebssystems abgelegt. Das Klartext-IP wird dann analysiert und nur dann auf der programmierbaren Logik konfiguriert, wenn es authentisch ist und keine bösartigen Schaltungen enthält. Die Bitstrom-Analysefunktionalität und die SFW-Unterkomponenten ermöglichen die Partitionierung der PL-Ressourcen in sichere und unsichere Ressourcen, d. h. die Erweiterung desKonzepts der vertrauenswürdigen Ausführungsumgebung (TEE) auf die PL. Dies ist die erste Arbeit, die das TEE-Konzept auf die programmierbare Logik ausweitet. Bei der oben erwähnten SCA-resistenten Entschlüsselungsschaltung handelt es sich um die Implementierung des Advanced Encryption Standard, der so modifiziert wurde, dass er gegen elektromagnetische und stromverbrauchsbedingte Leckagen resistent ist. Das geschützte Design verfügt über zwei Gegenmaßnahmen, wobei die erste auf einer Vielzahl unterschiedler Implementierungsvarianten und veränderlichen Zielpositionen bei der Konfiguration basiert, während die zweite nur unterschiedliche Implementierungsvarianten verwendet. Diese Gegenmaßnahmen sind auch während der Laufzeit skalierbar. Bei der Bewertung werden auch die Auswirkungen der Skalierbarkeit auf den Flächenbedarf und die Sicherheitsstärke berücksichtigt. Darüber hinaus wird die zuvor erwähnte funktionale Herausforderung des IP Floorplanning durch den Vorschlag eines feinkörnigen Automatic Floorplanners angegangen, der auf gemischt-ganzzahliger linearer Programmierung basiert und aktuelle FPGAGenerationen mit größeren und komplexen Bausteine unterstützt. Der Floorplanner bildet eine Reihe von IPs auf dem FPGA ab, indem er präzise rekonfigurierbare Regionen schafft. Dadurch werden die verbleibenden verfügbaren Ressourcen für das Gesamtdesign maximiert. Die zweite funktionale Herausforderung besteht darin, dass die vorhandenen Tools keine native Funktionalität zur Erzeugung von IPs in einer eigenständigen Umgebung bieten. Diese Herausforderung wird durch den Vorschlag eines unabhängigen IP-Generierungsansatzes angegangen. Dieser Ansatz kann von den Marktteilnehmern verwendet werden, um IPs eines Entwurfs unabhängig vom Gesamtentwurf zu generieren, ohne die Kompatibilität der IPs mit dem Gesamtentwurf zu beeinträchtigen

Hardware Design and Implementation of Role-Based Cryptography

Traditional public key cryptographic methods provide access control to sensitive data by allowing the message sender to grant a single recipient permission to read the encrypted message. The Need2Know® system (N2K) improves upon these methods by providing role-based access control. N2K defines data access permissions similar to those of a multi-user file system, but N2K strictly enforces access through cryptographic standards. Since custom hardware can efficiently implement many cryptographic algorithms and can provide additional security, N2K stands to benefit greatly from a hardware implementation. To this end, the main N2K algorithm, the Key Protection Module (KPM), is being specified in VHDL. The design is being built and tested incrementally: this first phase implements the core control logic of the KPM without integrating its cryptographic sub-modules. Both RTL simulation and formal verification are used to test the design. This is the first N2K implementation in hardware, and it promises to provide an accelerated and secured alternative to the software-based system. A hardware implementation is a necessary step toward highly secure and flexible deployments of the N2K system

Hardware Implementations of Scalable and Unified Elliptic Curve Cryptosystem Processors

As the amount of information exchanged through the network grows, so does the demand for increased security over the transmission of this information. As the growth of computers increased in the past few decades, more sophisticated methods of cryptography have been developed. One method of transmitting data securely over the network is by using symmetric-key cryptography. However, a drawback of symmetric-key cryptography is the need to exchange the shared key securely. One of the solutions is to use public-key cryptography. One of the modern public-key cryptography algorithms is called Elliptic Curve Cryptography (ECC). The advantage of ECC over some older algorithms is the smaller number of key sizes to provide a similar level of security. As a result, implementations of ECC are much faster and consume fewer resources. In order to achieve better performance, ECC operations are often offloaded onto hardware to alleviate the workload from the servers' processors. The most important and complex operation in ECC schemes is the elliptic curve point multiplication (ECPM). This thesis explores the implementation of hardware accelerators that offload the ECPM operation to hardware. These processors are referred to as ECC processors, or simply ECPs. This thesis targets the efficient hardware implementation of ECPs specifically for the 15 elliptic curves recommended by the National Institute of Standards and Technology (NIST). The main contribution of this thesis is the implementation of highly efficient hardware for scalable and unified finite field arithmetic units that are used in the design of ECPs. In this thesis, scalability refers to the processor's ability to support multiple key sizes without the need to reconfigure the hardware. By doing so, the hardware does not need to be redesigned for the server to handle different levels of security. Unified refers to the ability of the ECP to handle both prime and binary fields. The resultant designs are valuable to the research community and industry, as a single hardware device is able to handle a wide range of ECC operations efficiently and at high speeds. Thus, improving the ability of network servers to handle secure transaction more quickly and improve productivity at lower costs

Novel Area-Efficient and Flexible Architectures for Optimal Ate Pairing on FPGA

While FPGA is a suitable platform for implementing cryptographic algorithms, there are several challenges associated with implementing Optimal Ate pairing on FPGA, such as security, limited computing resources, and high power consumption. To overcome these issues, this study introduces three approaches that can execute the optimal Ate pairing on Barreto-Naehrig curves using Jacobean coordinates with the goal of reaching 128-bit security on the Genesys board. The first approach is a pure software implementation utilizing the MicroBlaze processor. The second involves a combination of software and hardware, with key operations in $F_{p}$ and $F_{p^{2}}$ being transformed into IP cores for the MicroBlaze. The third approach builds on the second by incorporating parallelism to improve the pairing process. The utilization of multiple MicroBlaze processors within a single system offers both versatility and parallelism to speed up pairing calculations. A variety of methods and parameters are used to optimize the pairing computation, including Montgomery modular multiplication, the Karatsuba method, Jacobean coordinates, the Complex squaring method, sparse multiplication, squaring in $G_{\phi 6}F_{p^{12}}$, and the addition chain method. The proposed systems are designed to efficiently utilize limited resources in restricted environments, while still completing tasks in a timely manner.Comment: 13 pages, 8 figures, and 5 table