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 /

ElectroMagnetic Analysis and Fault Injection onto Secure Circuits

International audienceImplementation attacks are a major threat to hardware cryptographic implementations. These attacks exploit the correlation existing between the computed data and variables such as computation time, consumed power, and electromagnetic (EM) emissions. Recently, the EM channel has been proven as an effective passive and active attack technique against secure implementations. In this paper, we review the recent results obtained on this subject, with a particular focus on EM as a fault injection tool

Secrecy and Randomness: Encoding Cloud data Locally using a One-Time Pad

There is no secrecy without randomness, and we address poor cloud security using an analogue chaotic onetime pad encryption system to achieve perfect secrecy. Local encoding returns control to the client and makes stored cloud data unreadable to an adversary. Most cloud service providers encode client data using public encryption algorithms, but ultimately businesses and organisations are responsible for encoding data locally before uploading to the Cloud. As recommended by the Cloud Security Alliance, companies employing authentication and local encryption will reduce or eliminate, EU fines for late data breach discoveries when the EU implements the new general data protection regulations in 2018. Companies failing to detect data breaches within a 72-hour limit will be fined up to four percent of their global annual turnover and estimates of several hundred billion euros could be levied in fines based on the present 146 days average EU breach discovery. The proposed localised encryption system is additional to public encryption, and obeying the rules of one-time pad encryption will mean intercepted encrypted data will be meaningless to an adversary. Furthermore, the encoder has no key distribution problem because applications for it are of “one-to-cloud” type

On Entropy and Bit Patterns of Ring Oscillator Jitter

Thermal jitter (phase noise) from a free-running ring oscillator is a common, easily implementable physical randomness source in True Random Number Generators (TRNGs). We show how to evaluate entropy, autocorrelation, and bit pattern distributions of ring oscillator noise sources, even with low jitter levels or some bias. Entropy justification is required in NIST 800-90B and AIS-31 testing and for applications such as the RISC-V entropy source extension. Our numerical evaluation algorithms outperform Monte Carlo simulations in speed and accuracy. We also propose a new lower bound estimation formula for the entropy of ring oscillator sources which applies more generally than previous ones.Comment: 6 page

Enhancing Electromagnetic Side-Channel Analysis in an Operational Environment

Side-channel attacks exploit the unintentional emissions from cryptographic devices to determine the secret encryption key. This research identifies methods to make attacks demonstrated in an academic environment more operationally relevant. Algebraic cryptanalysis is used to reconcile redundant information extracted from side-channel attacks on the AES key schedule. A novel thresholding technique is used to select key byte guesses for a satisfiability solver resulting in a 97.5% success rate despite failing for 100% of attacks using standard methods. Two techniques are developed to compensate for differences in emissions from training and test devices dramatically improving the effectiveness of cross device template attacks. Mean and variance normalization improves same part number attack success rates from 65.1% to 100%, and increases the number of locations an attack can be performed by 226%. When normalization is combined with a novel technique to identify and filter signals in collected traces not related to the encryption operation, the number of traces required to perform a successful attack is reduced by 85.8% on average. Finally, software-defined radios are shown to be an effective low-cost method for collecting side-channel emissions in real-time, eliminating the need to modify or profile the target encryption device to gain precise timing information

A STANDARDS COMPLIANT ENTROPY SOURCE WITH A FAST ON-THE-FLY ENTROPY DEGRADATION DETECTION AND CORRECTION

Since the advent of technology and world digitalization, most human interaction relies on data exchange through cloud servers on the internet. However, with the innovation also arose concerns about users' privacy and vulnerability. Therefore, cryptography and authentication are essential to protect users' data so only the owner and trusted parties can access it. The security system is the module responsible for securing data inside the devices. The hardware root of trust dwells inside the security system module. True random number generators are the most crucial root of trust devices since they generate the encryption keys. A weak key gives an advantage to an intruder to quickly break the cryptography and steal the data. However, true random number generators are powered by entropy sources susceptible to voltage, temperature, and process variation, which degrades the key entropy. This work proposes an all-digital reconfigurable entropy source with a dual-mode digital processing unit for entropy degradation detection and correction. The processing unit is powered by a subset of statistical tests from the national institute of Standards and Technologies (NIST) and the German Federal Office for Information Security (BSI), which detect and recover the entropy source output entropy within 1.5ms, 15 to 525x faster than similar works. Measured results show that the application specific integrated circuit (ASIC) entropy source yields random bits at a throughput of 1Mb/s with a min-entropy of 0.993 bits at 0.8V. The design consumes up to 42.6μW and occupies an area of 2834μm2 (without the on-chip register bank). Moreover, both the ASIC and the field programable array (FPGA) implementations passed all the NIST and BSI certification testing procedures