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

Self-Synchronized Encryption for Physical Layer in Gigabit Ethernet Optical Links

In this work a new self-synchronized symmetric encryption solution for high speed communication systems necessary to preserve the format of the plaintext is proposed, developed and tested. This new encryption mechanism is based on the block cipher operation mode called PSCFB (Pipelined Statistical Cipher Feedback) and the modulo operation. The confidentiality of this mode is analyzed in terms of its IND-CPA (Indistinguishability under Chosen-Plaintext Attack) advantage, concluding that it can be considered secure in the same way as traditional modes are. The encryption system has been integrated in the physical layer of a 1000Base-X Gigabit Ethernet Interface, where the 8b/10b symbol flow is encrypted at line rate. Moreover, an implementation of the proposed system has been carried out in an FPGA (Field Programmable Gate Array) device. Finally, an encrypted optical link has been tested with real Ethernet frames, getting maximum throughput and protecting the data traffic from passive eavesdroppers

Encriptación sobre Capa Física para Ethernet Óptico de Alta Velocidad

INTRODUCCIÓN-------------------------Hoy en día, los enlaces ópticos con tasas de transmisión de hasta 100 Gbps y superiores son ya una realidad. Gracias a los avances logrados en las comunicaciones ópticas durante las últimas décadas es posible afrontar anchos de banda cada vez mayores, lo que satisface las demandas de las aplicaciones más exigentes [CIS16], como por ejemplo las basadas en cloud computing o big data. Por otro lado, la seguridad en la información sigue siendo un asunto de gran importancia en las comunicaciones ya que el volumen de amenazas en la red se ha incrementado durante los últimos años [CIS18]. Los fallos en la seguridad podrían llevar al mal funcionamiento de un servicio o la pérdida de confidencialidad en datos críticos de los clientes. En un sistema de comunicaciones por capas, como por ejemplo en el modelo OSI (Open System Interconnection) o TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), se pueden llevar a cabo tanto ataques pasivos como activos en los diferentes niveles de la comunicación. Dependiendo de las capas de comunicación utilizadas, distintos mecanismos pueden ser adoptados para lograr la seguridad de la información. Por ejemplo, protocolos estandarizados tales como MACsec [IEE06] o IPsec [KEN05] son empleados normalmente en la capa 2 (capa de enlace de datos) y capa 3 (capa de red), respectivamente. En ambos casos la encriptación es llevada a cabo en cada trama o paquete de datos de forma individual. Para el caso particular de las redes ópticas, el análisis de las amenazas en su capa 1 (capa física) también es considerado crítico para garantizar unas comunicaciones seguras [SKO16], [FUR14]. En este caso se pueden destacar tres tipos de ataques: ataques de inserción de señal, ataques por splitting y ataques a las infraestructuras físicas. Los ataques por splitting son normalmente empleados para espionaje pasivo o para producir degradación en la señal [SKO16], estos se pueden llevar a cabo fácilmente gracias a técnicas de derivación en la fibra. De hecho, hoy en día ya existen métodos de bajo coste para interceptar la señal óptica gracias a dispositivos de acoplamiento óptico y conversores electroópticos sin la necesidad de interferir perceptiblemente en las comunicaciones [ZAF11]. Con el fin de tratar estas amenazas y proteger la confidencialidad de los datos en la capa física, varios mecanismos relacionados con tecnologías fotónicas han sido propuestos [FOK11], por ejemplo OCDM (Optical Code Division Multiplexing) [JI17], SCOC (Secure Communications using Optical Chaos) [HIZ10] o QKD (Quantum Key Distribution) [ELK13]. Otras técnicas, también relacionadas con protocolos de capa física, cifran la información a nivel de bit independientemente de la tecnología fotónica empleada, como la encriptación de los datos del payload en las tramas OTN (Optical Transport Network) [GUA16]. Algunas de las ventajas reivindicadas por estas técnicas de encriptación consisten en cifrar la información “al vuelo” introduciendo un overhead nulo en los datos y una latencia muy baja (en el rango de nanosegundos) en la información transmitida [GUA16]. De hecho, hoy en día ya están disponibles en el mercado equipos de comunicaciones OTN que realizan el cifrado a la velocidad de línea sin mermar el throughput, es decir consiguiendo un rendimiento de la transmisión del 100% [MIC16]. Esto contrasta con lo que hacen ciertos protocolos en otras capas de comunicación [KOL13], [XEN06]. Por ejemplo, IPsec generalmente introduce latencias en el rango de milisegundos. Además, el overhead introducido por IPsec durante el cifrado limita el rendimiento de transmisión a valores entre el 20% y el 90% de la máxima tasa de datos posible sin encriptación [TRO05], [KOL13]. Aparte de lograr la confidencialidad, alguno de los métodos mencionados anteriormente también es capaz de conseguir privacidad contra intrusos pasivos [FOK11], entendiendo esta como la amenaza cuando dichos intrusos pueden detectar simplemente la presencia de comunicaciones, aunque sean incapaces de descifrar el contenido de la información de las mismas. Esta habilidad puede ofrecer seguridad contra ataques basados en el análisis de los patrones del tráfico, que permitirían revelar información del comportamiento de una compañía o instalación. Dentro de los estándares de comunicaciones ópticas, Ethernet es uno de los más empleados hoy día. Un claro ejemplo es el acceso a las redes de transporte ópticas donde este estándar es utilizado normalmente cuando las tasas de acceso superan el gigabit por segundo. Tal y como se muestra en la Fig.1-1, algunas tecnologías de acceso en los tramos de última milla de las CEN (Carrier Ethernet Networks) son Ethernet sobre fibra (Fibra Directa con Ethernet, Ethernet sobre SONET/SDH, Ethernet sobre PON), Ethernet sobre PDH o Ethernet inalámbrico [MET09]. Dos de los estándares ópticos Ethernet más empleados hoy en día son los denominados 1000Base-X y 10GBase-R con tasas de transmisión de 1 Gbps y 10 Gbps, respectivamente.OBJETIVOS-------------------En el caso de las comunicaciones sobre Ethernet óptico no existe ningún mecanismo que logre la mencionada privacidad al mismo tiempo que la confidencialidad, sin que además introduzca un overhead o latencias indeseadas. El objetivo de esta tesis es el de proporcionar soluciones a dos de los estándares ópticos Ethernet más empleados, tales como 1000Base-X o 10GBase-R, logrando las características citadas anteriormente. En general los principales aspectos que se pretenden desarrollar en esta tesis son los siguientes: • Realizar propuestas viables de modificación de ambos estándares, 1000Base-X y 10GBase-R, de forma que se pueda llevar a cabo la encriptación en la capa física. • Lograr la compatibilidad de las nuevas arquitecturas de encriptación con dichos estándares de forma que el hardware electrónico más dependiente del medio de transmisión, como los módulos ópticos SFP, los SERDES o los circuitos de recuperación de reloj y datos, no necesite modificaciones adicionales. • Realizar un estudio de los posibles esquemas de encriptación por streaming que sean capaces de cifrar datos a velocidades superiores a 1 Gbps y adaptarlos a las arquitecturas propuestas. • Estudiar posibles mecanismos para llevar a cabo la sincronización de los módulos de encriptación entre dos terminales remotos.• Lograr que las soluciones propuestas lleven a cabo la encriptación introduciendo la menor latencia posible, al menos en un orden de magnitud igual o inferior al de soluciones en otros estándares de comunicaciones como OTN. • Llevar a cabo un análisis de la seguridad de las soluciones propuestas, incluyendo el estudio de la capacidad de privacidad en las comunicaciones. • Proponer un esquema de chequeo de integridad, autenticación y refresco de claves a nivel de capa física. • Llevar a cabo la implementación y verificación física de las soluciones propuestas.PUBLICACIONES----------------------------[PER19a] A. Pérez-Resa, M. Garcia-Bosque, C. Sánchez-Azqueta, and S. Celma. "Chaotic Encryption Applied to Optical Ethernet in Industrial Control Systems". IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 68(12):4876–4886, Dec 2019. [PER19b] A. Pérez-Resa, M. Garcia-Bosque, C. Sánchez-Azqueta, and S. Celma. "Physical Layer Encryption for Industrial Ethernet in Gigabit Optical Links". IEEE Transactions on Industrial Electronics, 66(4):3287–3295, April 2019. [PER19c] A. Pérez-Resa, M. Garcia-Bosque, C. Sánchez-Azqueta, and S. Celma. "Chaotic Encryption for 10-Gb Ethernet Optical Links". IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 66(2):859–868, Feb. 2019. [PER19d] A. Pérez-Resa, M. Garcia-Bosque, C. Sánchez-Azqueta, and S. Celma. "Self-Synchronized Encryption for Physical Layer in 10Gbps Optical Links". IEEE Transactions on Computers, 68(6):899–911, June 2019. [PER19e] A. Pérez-Resa, M. Garcia-Bosque, C. Sánchez-Azqueta, and S. Celma. "Self-Synchronized Encryption Using an FPE Block Cipher for Gigabit Ethernet". In 2019 15th Conference on Ph.D Research in Microelectronics and Electronics (PRIME), pages 81–84, Lausanne, Switzerland, July 2019. [PER20a] A. Pérez-Resa, M. Garcia-Bosque, C. Sánchez-Azqueta, and S. Celma. "A New Method for Format Preserving Encryption in High-Data Rate Communications". IEEE Access, 8:21003–21016, 2020. [PER20b] A. Pérez-Resa, M. Garcia-Bosque, C. Sánchez-Azqueta, and S. Celma. "Self-synchronized Encryption for Physical Layer in 1Gbps Ethernet Optical Links". IEEE Access, Pending Acceptance.<br /

Analysis and hardware implementation of synchronization methods for stream ciphers

In this thesis, we investigate two synchronization methods for stream ciphers. The first is statistical cipher feedback (SCFB) mode, which is a recently proposed mode of operation for block ciphers. The other is the marker-based mode, which is the synchronous stream cipher using "marker" to regain synchronization. SCFB mode is a hybrid of OFB mode and CFB mode; hence, it has a high throughput and the capability of self-synchronizing. The marker-based synchronous stream cipher is also able to obtain synchronization under limited circumstances. -- In this thesis, SCFB mode and the marker-based mode are both implemented in digital hardware targeting the FPGA technology. The device we have used is the Xilinx Spartan-3E FPGA. Commonly, SCFB mode is implemented by using the block cipher, AES, as the keystream generator; however, in our research, we use the stream cipher, Grain-128, as the keystream generator for SCFB mode implementation. The designed system structure and synthesis results of the two modes are given in this thesis. Throughout our research, VHDL code and Modelsim PE Student Edition 6.5d are used to design and simulate the functionality of our systems. The behavior level description is synthesized by using Xilinx ISE Webpack 10.1 tool and the .bit stream which is used to configure FPGA board is generated. The designed system is run on the Digilent Nexys II FPGA board and tested. To download the .bit stream on to the FPGA board and transfer data between the computer and FPGA, the Digilent Adept Suite tool is used. -- Through the FPGA hardware implementation, we obtain that SCFB mode configured for a stream cipher, Grain-128, can run at the speed of 89Mbps on a real FPGA and an efficiency of SCFB mode is 100%. The marker-based mode can reach the speed of 113 Mbps and has an efficiency of 94%. Although the system of marker-based mode is a little faster and has less hardware complexity than SCFB mode, it is limited in its synchronization recovery. In contrast, SCFB mode can regain synchronization for any number of bit slips. Hence, SCFB mode is more suitable for high speed physical layer security. -- The performance analysis of SCFB mode and marker-based mode is also provided with respect to characteristics of synchronization recovery delay (SRD) and error propagation factor (EPF). In particular, through the simulation of SRD and EPF versus varying sync patterns, we have found the best sync pattern format for SCFB mode. The best sync patterns are uncorrelated, that is, the shifted version of the sync pattern do not match the bits from the original sync pattern. In our research, we have used the sequence "10000000" as the sync pattern for SCFB mode implementation and as the marker for marker-based synchronous stream cipher implementation

Analysis and Design Security Primitives Based on Chaotic Systems for eCommerce

Security is considered the most important requirement for the success of electronic commerce, which is built based on the security of hash functions, encryption algorithms and pseudorandom number generators. Chaotic systems and security algorithms have similar properties including sensitivity to any change or changes in the initial parameters, unpredictability, deterministic nature and random-like behaviour. Several security algorithms based on chaotic systems have been proposed; unfortunately some of them were found to be insecure and/or slow. In view of this, designing new secure and fast security algorithms based on chaotic systems which guarantee integrity, authentication and confidentiality is essential for electronic commerce development. In this thesis, we comprehensively explore the analysis and design of security primitives based on chaotic systems for electronic commerce: hash functions, encryption algorithms and pseudorandom number generators. Novel hash functions, encryption algorithms and pseudorandom number generators based on chaotic systems for electronic commerce are proposed. The securities of the proposed algorithms are analyzed based on some well-know statistical tests in this filed. In addition, a new one-dimensional triangle-chaotic map (TCM) with perfect chaotic behaviour is presented. We have compared the proposed chaos-based hash functions, block cipher and pseudorandom number generator with well-know algorithms. The comparison results show that the proposed algorithms are better than some other existing algorithms. Several analyses and computer simulations are performed on the proposed algorithms to verify their characteristics, confirming that these proposed algorithms satisfy the characteristics and conditions of security algorithms. The proposed algorithms in this thesis are high-potential for adoption in e-commerce applications and protocols