Side-channel attacks and countermeasures in the design of secure IC's devices for cryptographic applications

Abstract--- A lot of devices which are daily used have to guarantee the retention of sensible data. Sensible data are ciphered by a secure key by which only the key holder can get the data. For this reason, to protect the cipher key against possible attacks becomes a main issue. The research activities in hardware cryptography are involved in finding new countermeasures against various attack scenarios and, in the same time, in studying new attack methodologies. During the PhD, three different logic families to counteract Power Analysis were presented and a novel class of attacks was studied. Moreover, two different activities related to Random Numbers Generators have been addressed

A holistic approach examining RFID design for security and privacy

This paper adopts a holistic approach to Radio Frequency Identification (RFID) security that considers security and privacy under resource constraints concurrently. In this context, a practical realisation of a secure passive (battery-less) RFID tag is presented. The tag consists of an off the shelf front end combined with a bespoke 0.18 μm Application Specific Integrated Circuit (ASIC) assembled as a -sized prototype. The ASIC integrates the authors’ ultra low power novel Advanced Encryption Standard (AES) design together with a novel random number generator and a novel protocol, which provides both security and privacy. The analysis presented shows a security of 64-bits against many attack methods. Both modelled and measured power results are presented. The measured average core power consumed during continuous normal operation is 1.36 μW

User-controlled cyber-security using automated key generation

Traditionally, several different methods are fully capable of providing an adequate degree of security to the threats and attacks that exists for revealing different keys. Though almost all the traditional methods give a good level of immunity to any possible breach in security keys, the biggest issue that exist with these methods is the dependency over third-party applications. Therefore, use of third-party applications is not an acceptable method to be used by high-security applications. For high-security applications, it is more secure that the key generation process is in the hands of the end users rather than a third-party. Giving access to third parties for high-security applications can also make the applications more venerable to data theft, security breach or even a loss in their integrity. In this research, the evolutionary computing tool Eureqa is used for the generation of encryption keys obtained by modelling pseudo-random input data. Previous approaches using this tool have required a calculation time too long for practical use and addressing this drawback is the main focus of the research. The work proposes a number of new approaches to the generation of secret keys for the encryption and decryption of data files and they are compared in their ability to operate in a secure manner using a range of statistical tests and in their ability to reduce calculation time using realistic practical assessments. A number of common tests of performance are the throughput, chi-square, histogram, time for encryption and decryption, key sensitivity and entropy analysis. From the results of the statistical tests, it can be concluded that the proposed data encryption and decryption algorithms are both reliable and secure. Being both reliable and secure eliminates the need for the dependency over third-party applications for the security keys. It also takes less time for the users to generate highly secure keys compared to the previously known techniques.The keys generated via Eureqa also have great potential to be adapted to data communication applications which require high security

Symmetry in Chaotic Systems and Circuits

Symmetry can play an important role in the field of nonlinear systems and especially in the design of nonlinear circuits that produce chaos. Therefore, this Special Issue, titled “Symmetry in Chaotic Systems and Circuits”, presents the latest scientific advances in nonlinear chaotic systems and circuits that introduce various kinds of symmetries. Applications of chaotic systems and circuits with symmetries, or with a deliberate lack of symmetry, are also presented in this Special Issue. The volume contains 14 published papers from authors around the world. This reflects the high impact of this Special Issue

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 /

Nation-State Attackers and their Effects on Computer Security

Nation-state intelligence agencies have long attempted to operate in secret, but recent revelations have drawn the attention of security researchers as well as the general public to their operations. The scale, aggressiveness, and untargeted nature of many of these now public operations were not only alarming, but also baffling as many were thought impossible or at best infeasible at scale. The security community has since made many efforts to protect end-users by identifying, analyzing, and mitigating these now known operations. While much-needed, the security community's response has largely been reactionary to the oracled existence of vulnerabilities and the disclosure of specific operations. Nation-State Attackers, however, are dynamic, forward-thinking, and surprisingly agile adversaries who do not rest on their laurels and are continually advancing their efforts to obtain information. Without the ability to conceptualize their actions, understand their perspective, or account for their presence, the security community's advances will become antiquated and unable to defend against the progress of Nation-State Attackers. In this work, we present and discuss a model of Nation-State Attackers that can be used to represent their attributes, behavior patterns, and world view. We use this representation of Nation-State Attackers to show that real-world threat models do not account for such highly privileged attackers, to identify and support technical explanations of known but ambiguous operations, and to identify and analyze vulnerabilities in current systems that are favorable to Nation-State Attackers.PHDComputer Science & EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/143907/1/aaspring_1.pd

Semi-Quantum Conference Key Agreement (SQCKA)

A need in the development of secure quantum communications is the scalable extension of key distribution protocols. The greatest advantage of these protocols is the fact that its security does not rely on mathematical assumptions and can achieve perfect secrecy. In order to make these protocols scalable, has been developed the concept of Conference Key Agreements, among multiple users. In this thesis we propose a key distribution protocol among several users using a semi-quantum approach. We assume that only one of the users is equipped with quantum devices and generates quantum states, while the other users are classical, i.e., they are only equipped with a device capable of measuring or reflecting the information. This approach has the advantage of simplicity and reduced costs. We prove our proposal is secure and we present some numerical results on the lower bounds for the key rate. The security proof applies new techniques derived from some already well established work. From the practical point of view, we developed a toolkit called Qis|krypt⟩ that is able to simulate not only our protocol but also some well-known quantum key distribution protocols. The source-code is available on the following link: - https://github.com/qiskrypt/qiskrypt/.Uma das necessidades no desenvolvimento de comunicações quânticas seguras é a extensão escalável de protocolos de distribuição de chaves. A grande vantagem destes protocolos é o facto da sua segurança não depender de suposições matemáticas e poder atingir segurança perfeita. Para tornar estes protocolos escaláveis, desenvolveu-se o conceito de Acordo de Chaves de Conferência, entre múltiplos utilizadores. Nesta tese propomos um protocolo para distribuição de chaves entre vários utilizadores usando uma abordagem semi-quântica. Assumimos que apenas um dos utilizadores está equipado com dispositivos quânticos e é capaz de gerar estados quânticos, enquanto que os outros utilizadores são clássicos, isto é, estão apenas equipados com dispositivos capazes de efectuar uma medição ou refletir a informação. Esta abordagem tem a vantagem de ser mais simples e de reduzir custos. Provamos que a nossa proposta é segura e apresentamos alguns resultados numéricos sobre limites inferiores para o rácio de geração de chaves. A prova de segurança aplica novas técnicas derivadas de alguns resultados já bem estabelecidos. Do ponto de vista prático, desenvolvemos uma ferramenta chamada Qis|krypt⟩ que é capaz de simular não só o nosso protocolo como também outros protocolos distribuição de chaves bem conhecidos. O código fonte encontra-se disponível no seguinte link: - https://github.com/qiskrypt/qiskrypt/

Cryptography and Its Applications in Information Security

Nowadays, mankind is living in a cyber world. Modern technologies involve fast communication links between potentially billions of devices through complex networks (satellite, mobile phone, Internet, Internet of Things (IoT), etc.). The main concern posed by these entangled complex networks is their protection against passive and active attacks that could compromise public security (sabotage, espionage, cyber-terrorism) and privacy. This Special Issue “Cryptography and Its Applications in Information Security” addresses the range of problems related to the security of information in networks and multimedia communications and to bring together researchers, practitioners, and industrials interested by such questions. It consists of eight peer-reviewed papers, however easily understandable, that cover a range of subjects and applications related security of information