Envisioning the Future of Cyber Security in Post-Quantum Era: A Survey on PQ Standardization, Applications, Challenges and Opportunities

The rise of quantum computers exposes vulnerabilities in current public key cryptographic protocols, necessitating the development of secure post-quantum (PQ) schemes. Hence, we conduct a comprehensive study on various PQ approaches, covering the constructional design, structural vulnerabilities, and offer security assessments, implementation evaluations, and a particular focus on side-channel attacks. We analyze global standardization processes, evaluate their metrics in relation to real-world applications, and primarily focus on standardized PQ schemes, selected additional signature competition candidates, and PQ-secure cutting-edge schemes beyond standardization. Finally, we present visions and potential future directions for a seamless transition to the PQ era

Security of Ubiquitous Computing Systems

The chapters in this open access book arise out of the EU Cost Action project Cryptacus, the objective of which was to improve and adapt existent cryptanalysis methodologies and tools to the ubiquitous computing framework. The cryptanalysis implemented lies along four axes: cryptographic models, cryptanalysis of building blocks, hardware and software security engineering, and security assessment of real-world systems. The authors are top-class researchers in security and cryptography, and the contributions are of value to researchers and practitioners in these domains. This book is open access under a CC BY license

The role of concurrency in an evolutionary view of programming abstractions

In this paper we examine how concurrency has been embodied in mainstream programming languages. In particular, we rely on the evolutionary talking borrowed from biology to discuss major historical landmarks and crucial concepts that shaped the development of programming languages. We examine the general development process, occasionally deepening into some language, trying to uncover evolutionary lineages related to specific programming traits. We mainly focus on concurrency, discussing the different abstraction levels involved in present-day concurrent programming and emphasizing the fact that they correspond to different levels of explanation. We then comment on the role of theoretical research on the quest for suitable programming abstractions, recalling the importance of changing the working framework and the way of looking every so often. This paper is not meant to be a survey of modern mainstream programming languages: it would be very incomplete in that sense. It aims instead at pointing out a number of remarks and connect them under an evolutionary perspective, in order to grasp a unifying, but not simplistic, view of the programming languages development process

A PUF based Lightweight Hardware Security Architecture for IoT

With an increasing number of hand-held electronics, gadgets, and other smart devices, data is present in a large number of platforms, thereby increasing the risk of security, privacy, and safety breach than ever before. Due to the extreme lightweight nature of these devices, commonly referred to as IoT or `Internet of Things\u27, providing any kind of security is prohibitive due to high overhead associated with any traditional and mathematically robust cryptographic techniques. Therefore, researchers have searched for alternative intuitive solutions for such devices. Hardware security, unlike traditional cryptography, can provide unique device-specific security solutions with little overhead, address vulnerability in hardware and, therefore, are attractive in this domain. As Moore\u27s law is almost at its end, different emerging devices are being explored more by researchers as they present opportunities to build better application-specific devices along with their challenges compared to CMOS technology. In this work, we have proposed emerging nanotechnology-based hardware security as a security solution for resource constrained IoT domain. Specifically, we have built two hardware security primitives i.e. physical unclonable function (PUF) and true random number generator (TRNG) and used these components as part of a security protocol proposed in this work as well. Both PUF and TRNG are built from metal-oxide memristors, an emerging nanoscale device and are generally lightweight compared to their CMOS counterparts in terms of area, power, and delay. Design challenges associated with designing these hardware security primitives and with memristive devices are properly addressed. Finally, a complete security protocol is proposed where all of these different pieces come together to provide a practical, robust, and device-specific security for resource-limited IoT systems

Printed Electronics-Based Physically Unclonable Functions for Lightweight Security in the Internet of Things

Die moderne Gesellschaft strebt mehr denn je nach digitaler Konnektivität - überall und zu jeder Zeit - was zu Megatrends wie dem Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) führt. Bereits heute kommunizieren und interagieren „Dinge“ autonom miteinander und werden in Netzwerken verwaltet. In Zukunft werden Menschen, Daten und Dinge miteinander verbunden sein, was auch als Internet von Allem (Internet of Everything, IoE) bezeichnet wird. Milliarden von Geräten werden in unserer täglichen Umgebung allgegenwärtig sein und über das Internet in Verbindung stehen. Als aufstrebende Technologie ist die gedruckte Elektronik (Printed Electronics, PE) ein Schlüsselelement für das IoE, indem sie neuartige Gerätetypen mit freien Formfaktoren, neuen Materialien auf einer Vielzahl von Substraten mit sich bringt, die flexibel, transparent und biologisch abbaubar sein können. Darüber hinaus ermöglicht PE neue Freiheitsgrade bei der Anpassbarkeit von Schaltkreisen sowie die kostengünstige und großflächige Herstellung am Einsatzort. Diese einzigartigen Eigenschaften von PE ergänzen herkömmliche Technologien auf Siliziumbasis. Additive Fertigungsprozesse ermöglichen die Realisierung von vielen zukunftsträchtigen Anwendungen wie intelligente Objekte, flexible Displays, Wearables im Gesundheitswesen, umweltfreundliche Elektronik, um einige zu nennen. Aus der Sicht des IoE ist die Integration und Verbindung von Milliarden heterogener Geräte und Systeme eine der größten zu lösenden Herausforderungen. Komplexe Hochleistungsgeräte interagieren mit hochspezialisierten, leichtgewichtigen elektronischen Geräten, wie z.B. Smartphones mit intelligenten Sensoren. Daten werden in der Regel kontinuierlich gemessen, gespeichert und mit benachbarten Geräten oder in der Cloud ausgetauscht. Dabei wirft die Fülle an gesammelten und verarbeiteten Daten Bedenken hinsichtlich des Datenschutzes und der Sicherheit auf. Herkömmliche kryptografische Operationen basieren typischerweise auf deterministischen Algorithmen, die eine hohe Schaltungs- und Systemkomplexität erfordern, was sie wiederum für viele leichtgewichtige Geräte ungeeignet macht. Es existieren viele Anwendungsbereiche, in denen keine komplexen kryptografischen Operationen erforderlich sind, wie z.B. bei der Geräteidentifikation und -authentifizierung. Dabei hängt das Sicherheitslevel hauptsächlich von der Qualität der Entropiequelle und der Vertrauenswürdigkeit der abgeleiteten Schlüssel ab. Statistische Eigenschaften wie die Einzigartigkeit (Uniqueness) der Schlüssel sind von großer Bedeutung, um einzelne Entitäten genau unterscheiden zu können. In den letzten Jahrzehnten hat die Hardware-intrinsische Sicherheit, insbesondere Physically Unclonable Functions (PUFs), eine große Strahlkraft hinsichtlich der Bereitstellung von Sicherheitsfunktionen für IoT-Geräte erlangt. PUFs verwenden ihre inhärenten Variationen, um gerätespezifische eindeutige Kennungen abzuleiten, die mit Fingerabdrücken in der Biometrie vergleichbar sind. Zu den größten Potenzialen dieser Technologie gehören die Verwendung einer echten Zufallsquelle, die Ableitung von Sicherheitsschlüsseln nach Bedarf sowie die inhärente Schlüsselspeicherung. In Kombination mit den einzigartigen Merkmalen der PE-Technologie werden neue Möglichkeiten eröffnet, um leichtgewichtige elektronische Geräte und Systeme abzusichern. Obwohl PE noch weit davon entfernt ist, so ausgereift und zuverlässig wie die Siliziumtechnologie zu sein, wird in dieser Arbeit gezeigt, dass PE-basierte PUFs vielversprechende Sicherheitsprimitiven für die Schlüsselgenerierung zur eindeutigen Geräteidentifikation im IoE sind. Dabei befasst sich diese Arbeit in erster Linie mit der Entwicklung, Untersuchung und Bewertung von PE-basierten PUFs, um Sicherheitsfunktionen für ressourcenbeschränkte gedruckte Geräte und Systeme bereitzustellen. Im ersten Beitrag dieser Arbeit stellen wir das skalierbare, auf gedruckter Elektronik basierende Differential Circuit PUF (DiffC-PUF) Design vor, um sichere Schlüssel für Sicherheitsanwendungen für ressourcenbeschränkte Geräte bereitzustellen. Die DiffC-PUF ist als hybride Systemarchitektur konzipiert, die siliziumbasierte und gedruckte Komponenten enthält. Es wird eine eingebettete PUF-Plattform entwickelt, um die Charakterisierung von siliziumbasierten und gedruckten PUF-Cores in großem Maßstab zu ermöglichen. Im zweiten Beitrag dieser Arbeit werden siliziumbasierte PUF-Cores auf Basis diskreter Komponenten hergestellt und statistische Tests unter realistischen Betriebsbedingungen durchgeführt. Eine umfassende experimentelle Analyse der PUF-Sicherheitsmetriken wird vorgestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die DiffC-PUF auf Siliziumbasis nahezu ideale Werte für die Uniqueness- und Reliability-Metriken aufweist. Darüber hinaus werden die Identifikationsfähigkeiten der DiffC-PUF untersucht, und es stellte sich heraus, dass zusätzliches Post-Processing die Identifizierbarkeit des Identifikationssystems weiter verbessern kann. Im dritten Beitrag dieser Arbeit wird zunächst ein Evaluierungsworkflow zur Simulation von DiffC-PUFs basierend auf gedruckter Elektronik vorgestellt, welche auch als Hybrid-PUFs bezeichnet werden. Hierbei wird eine Python-basierte Simulationsumgebung vorgestellt, welche es ermöglicht, die Eigenschaften und Variationen gedruckter PUF-Cores basierend auf Monte Carlo (MC) Simulationen zu untersuchen. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Sicherheitsmetriken im besten Betriebspunkt nahezu ideal sind. Des Weiteren werden angefertigte PE-basierte PUF-Cores für statistische Tests unter verschiedenen Betriebsbedingungen, einschließlich Schwankungen der Umgebungstemperatur, der relativen Luftfeuchtigkeit und der Versorgungsspannung betrieben. Die experimentell bestimmten Resultate der Uniqueness-, Bit-Aliasing- und Uniformity-Metriken stimmen gut mit den Simulationsergebnissen überein. Der experimentell ermittelte durchschnittliche Reliability-Wert ist relativ niedrig, was durch die fehlende Passivierung und Einkapselung der gedruckten Transistoren erklärt werden kann. Die Untersuchung der Identifikationsfähigkeiten basierend auf den PUF-Responses zeigt, dass die Hybrid-PUF ohne zusätzliches Post-Processing nicht für kryptografische Anwendungen geeignet ist. Die Ergebnisse zeigen aber auch, dass sich die Hybrid-PUF zur Geräteidentifikation eignet. Der letzte Beitrag besteht darin, in die Perspektive eines Angreifers zu wechseln. Um die Sicherheitsfähigkeiten der Hybrid-PUF beurteilen zu können, wird eine umfassende Sicherheitsanalyse nach Art einer Kryptoanalyse durchgeführt. Die Analyse der Entropie der Hybrid-PUF zeigt, dass seine Anfälligkeit für Angriffe auf Modellbasis hauptsächlich von der eingesetzten Methode zur Generierung der PUF-Challenges abhängt. Darüber hinaus wird ein Angriffsmodell eingeführt, um die Leistung verschiedener mathematischer Klonangriffe auf der Grundlage von abgehörten Challenge-Response Pairs (CRPs) zu bewerten. Um die Hybrid-PUF zu klonen, wird ein Sortieralgorithmus eingeführt und mit häufig verwendeten Classifiers für überwachtes maschinelles Lernen (ML) verglichen, einschließlich logistischer Regression (LR), Random Forest (RF) sowie Multi-Layer Perceptron (MLP). Die Ergebnisse zeigen, dass die Hybrid-PUF anfällig für modellbasierte Angriffe ist. Der Sortieralgorithmus profitiert von kürzeren Trainingszeiten im Vergleich zu den ML-Algorithmen. Im Falle von fehlerhaft abgehörten CRPs übertreffen die ML-Algorithmen den Sortieralgorithmus

Criptografía ligera en dispositivos de identificación por radiofrecuencia- RFID

Esta tesis se centra en el estudio de la tecnología de identificación por radiofrecuencia (RFID), la cual puede ser considerada como una de las tecnologías más prometedoras dentro del área de la computación ubicua. La tecnología RFID podría ser el sustituto de los códigos de barras. Aunque la tecnología RFID ofrece numerosas ventajas frente a otros sistemas de identificación, su uso lleva asociados riesgos de seguridad, los cuales no son fáciles de resolver. Los sistemas RFID pueden ser clasificados, atendiendo al coste de las etiquetas, distinguiendo principalmente entre etiquetas de alto coste y de bajo coste. Nuestra investigación se centra fundamentalmente en estas últimas. El estudio y análisis del estado del arte nos ha permitido identificar la necesidad de desarrollar soluciones criptográficas ligeras adecuadas para estos dispositivos limitados. El uso de soluciones criptográficas estándar supone una aproximación correcta desde un punto de vista puramente teórico. Sin embargo, primitivas criptográficas estándar (funciones resumen, código de autenticación de mensajes, cifradores de bloque/flujo, etc.) exceden las capacidades de las etiquetas de bajo coste. Por tanto, es necesario el uso de criptografía ligera._______________________________________This thesis examines the security issues of Radio Frequency Identification (RFID) technology, one of the most promising technologies in the field of ubiquitous computing. Indeed, RFID technology may well replace barcode technology. Although it offers many advantages over other identification systems, there are also associated security risks that are not easy to address. RFID systems can be classified according to tag price, with distinction between high-cost and low-cost tags. Our research work focuses mainly on low-cost RFID tags. An initial study and analysis of the state of the art identifies the need for lightweight cryptographic solutions suitable for these very constrained devices. From a purely theoretical point of view, standard cryptographic solutions may be a correct approach. However, standard cryptographic primitives (hash functions, message authentication codes, block/stream ciphers, etc.) are quite demanding in terms of circuit size, power consumption and memory size, so they make costly solutions for low-cost RFID tags. Lightweight cryptography is therefore a pressing need. First, we analyze the security of the EPC Class-1 Generation-2 standard, which is considered the universal standard for low-cost RFID tags. Secondly, we cryptanalyze two new proposals, showing their unsuccessful attempt to increase the security level of the specification without much further hardware demands. Thirdly, we propose a new protocol resistant to passive attacks and conforming to low-cost RFID tag requirements. In this protocol, costly computations are only performed by the reader, and security related computations in the tag are restricted to very simple operations. The protocol is inspired in the family of Ultralightweight Mutual Authentication Protocols (UMAP: M2AP, EMAP, LMAP) and the recently proposed SASI protocol. The thesis also includes the first published cryptanalysis of xi SASI under the weakest attacker model, that is, a passive attacker. Fourthly, we propose a new protocol resistant to both passive and active attacks and suitable for moderate-cost RFID tags. We adapt Shieh et.’s protocol for smart cards, taking into account the unique features of RFID systems. Finally, because this protocol is based on the use of cryptographic primitives and standard cryptographic primitives are not supported, we address the design of lightweight cryptographic primitives. Specifically, we propose a lightweight hash function (Tav-128) and a lightweight Pseudo-Random Number Generator (LAMED and LAMED-EPC).We analyze their security level and performance, as well as their hardware requirements and show that both could be realistically implemented, even in low-cost RFID tags