Cryptoraptor : high throughput reconfigurable cryptographic processor for symmetric key encryption and cryptographic hash functions

textIn cryptographic processor design, the selection of functional primitives and connection structures between these primitives are extremely crucial to maximize throughput and flexibility. Hence, detailed analysis on the specifications and requirements of existing crypto-systems plays a crucial role in cryptographic processor design. This thesis provides the most comprehensive literature review that we are aware of on the widest range of existing cryptographic algorithms, their specifications, requirements, and hardware structures. In the light of this analysis, it also describes a high performance, low power, and highly flexible cryptographic processor, Cryptoraptor, that is designed to support both today's and tomorrow's encryption standards. To the best of our knowledge, the proposed cryptographic processor supports the widest range of cryptographic algorithms compared to other solutions in the literature and is the only crypto-specific processor targeting the future standards as well. Unlike previous work, we aim for maximum throughput for all known encryption standards, and to support future standards as well. Our 1GHz design achieves a peak throughput of 128Gbps for AES-128 which is competitive with ASIC designs and has 25X and 160X higher throughput per area than CPU and GPU solutions, respectively.Electrical and Computer Engineerin

Survey and future trends of efficient cryptographic function implementations on GPGPUs

Many standard cryptographic functions are designed to benefit from hardware specific implementations. As a result, there have been a large number of highly efficient ASIC and FPGA hardware based implementations of standard cryptographic functions. Previously, hardware accelerated devices were only available to a limited set of users. General Purpose Graphic Processing Units (GPGPUs) have become a standard consumer item and have demonstrated orders of magnitude performance improvements for general purpose computation, including cryptographic functions. This paper reviews the current and future trends in GPU technology, and examines its potential impact on current cryptographic practice

A Study on High Performance Gbps MIMO Wireless System

九州工業大学博士学位論文 学位記番号:情工博甲第294号　学位授与年月日:平成26年12月25日1 Introduction||2 Wireless System Overview||3 RC4 Encryption Architectures||4 MIMO Detection Algorithm and Architecture||5 LDPC Decoder Architecture||6 Conclusion and Future Wor

Developing a Systematic Process for Mobile Surveying and Analysis of WLAN security

Wireless Local Area Network (WLAN), familiarly known as Wi-Fi, is one of the most used wireless networking technologies. WLANs have rapidly grown in popularity since the release of the original IEEE 802.11 WLAN standard in 1997. We are using our beloved wireless internet connection for everything and are connecting more and more devices into our wireless networks in every form imaginable. As the number of wireless network devices keeps increasing, so does the importance of wireless network security. During its now over twenty-year life cycle, a multitude of various security measures and protocols have been introduced into WLAN connections to keep our wireless communication secure. The most notable security measures presented in the 802.11 standard have been the encryption protocols Wired Equivalent Privacy (WEP) and Wi-Fi Protected Access (WPA). Both encryption protocols have had their share of flaws and vulnerabilities, some of them so severe that the use of WEP and the first generation of the WPA protocol have been deemed irredeemably broken and unfit to be used for WLAN encryption. Even though the aforementioned encryption protocols have been long since deemed fatally broken and insecure, research shows that both can still be found in use today. The purpose of this Master’s Thesis is to develop a process for surveying wireless local area networks and to survey the current state of WLAN security in Finland. The goal has been to develop a WLAN surveying process that would at the same time be efficient, scalable, and easily replicable. The purpose of the survey is to determine to what extent are the deprecated encryption protocols used in Finland. Furthermore, we want to find out in what state is WLAN security currently in Finland by observing the use of other WLAN security practices. The survey process presented in this work is based on a WLAN scanning method called Wardriving. Despite its intimidating name, wardriving is simply a form of passive wireless network scanning. Passive wireless network scanning is used for collecting information about the surrounding wireless networks by listening to the messages broadcasted by wireless network devices. To collect our research data, we conducted wardriving surveys on three separate occasions between the spring of 2019 and early spring of 2020, in a typical medium-sized Finnish city. Our survey results show that 2.2% out of the located networks used insecure encryption protocols and 9.2% of the located networks did not use any encryption protocol. While the percentage of insecure networks is moderately low, we observed during our study that private consumers are reluctant to change the factory-set default settings of their wireless network devices, possibly exposing them to other security threats

Security performance and protocol consideration in optical communication system with optical layer security enabled by optical coding techniques

With the fast development of communication systems, network security issues have more and more impact on daily life. It is essential to construct a high degree of optical layer security to resolve the security problem once and for all. Three different techniques which can provide optical layer security are introduced and compared. Optical chaos can be used for fast random number generation. Quantum cryptography is the most promising technique for key distribution. And the optical coding techniques can be deployed to encrypt the modulated signal in the optical layer. A mathematical equation has been derived from information theory to evaluate the information-theoretic security level of the wiretap channel in optical coding schemes. And the merits and limitation of two coherent optical coding schemes, temporal phase coding and spectral phase coding, have been analysed. The security scheme based on a reconfigurable optical coding device has been introduced, and the corresponding security protocol has been developed. By moving the encryption operation from the electronic layer to the optical layer, the modulated signals become opaque to the unauthorised users. Optical code distribution and authentication is the one of the major challenges for our proposed scheme. In our proposed protocol, both of the operations are covered and defined in detail. As a preliminary draft of the optical code security protocol, it could be a useful guidance for further research

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 /

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