Cryptarray A Scalable And Reconfigurable Architecture For Cryptographic Applications

Cryptography is increasingly viewed as a critical technology to fulfill the requirements of security and authentication for information exchange between Internet applications. However, software implementations of cryptographic applications are unable to support the quality of service from a bandwidth perspective required by most Internet applications. As a result, various hardware implementations, from Application-Specific Integrated Circuits (ASICs), Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs), to programmable processors, were proposed to improve this inadequate quality of service. Although these implementations provide performances that are considered better than those produced by software implementations, they still fall short of addressing the bandwidth requirements of most cryptographic applications in the context of the Internet for two major reasons: (i) The majority of these architectures sacrifice flexibility for performance in order to reach the performance level needed for cryptographic applications. This lack of flexibility can be detrimental considering that cryptographic standards and algorithms are still evolving. (ii) These architectures do not consider the consequences of technology scaling in general, and particularly interconnect related problems. As a result, this thesis proposes an architecture that attempts to address the requirements of cryptographic applications by overcoming the obstacles described in (i) and (ii). To this end, we propose a new reconfigurable, two-dimensional, scalable architecture, called CRYPTARRAY, in which bus-based communication is replaced by distributed shared memory communication. At the physical level, the length of the wires will be kept to a minimum. CRYPTARRAY is organized as a chessboard in which the dark and light squares represent Processing Elements (PE) and memory blocks respectively. The granularity and resource composition of the PEs is specifically designed to support the computing operations encountered in cryptographic algorithms in general, and symmetric algorithms in particular. Communication can occur only between neighboring PEs through locally shared memory blocks. Because of the chessboard layout, the architecture can be reconfigured to allow computation to proceed as a pipelined wave in any direction. This organization offers a high computational density in terms of datapath resources and a large number of distributed storage resources that easily support a high degree of parallelism and pipelining. Experimental prototyping a small array on FPGA chips shows that this architecture can run at 80.9 MHz producing 26,968,716 outputs every second in static reconfiguration mode and 20,226,537 outputs every second in dynamic reconfiguration mode

Trusted SoC Realization for Remote Dynamic IP Integration

Heutzutage bieten field-programmable gate arrays (FPGAs) enorme Rechenleistung und Flexibilität. Zudem sind sie oft auf einem einzigen Chip mit eingebetteten Multicore-Prozessoren, DSP-Engines und Speicher-Controllern integriert. Dadurch sind sie für große und komplexe Anwendungen geeignet. Gleichzeitig führten die Fortschritte auf dem Gebiet der High-Level-Synthese und die Verfügbarkeit standardisierter Schnittstellen (wie etwa das Advanced eXtensible Interface 4) zur Entwicklung spezialisierter und neuartiger Funktionalitäten durch Designhäuser. All dies schuf einen Bedarf für ein Outsourcing der Entwicklung oder die Lizenzierung von FPGA-IPs (Intellectual Property). Ein Pay-per-Use IP-Lizenzierungsmodell, bei dem diese IPs vor allen Marktteilnehmern geschützt sind, kommt den Entwicklern der IPs zugute. Außerdem handelt es sich bei den Entwicklern von FPGA-Systemen in der Regel um kleine bis mittlere Unternehmen, die in Bezug auf die Markteinführungszeit und die Kosten pro Einheit von einem solchen Lizenzierungsmodell profitieren können. Im akademischen Bereich und in der Industrie gibt es mehrere IP-Lizenzierungsmodelle und Schutzlösungen, die eingesetzt werden können, die jedoch mit zahlreichen Sicherheitsproblemen behaftet sind. In einigen Fällen verursachen die vorgeschlagenen Sicherheitsmaßnahmen einen unnötigen Ressourcenaufwand und Einschränkungen für die Systementwickler, d. h., sie können wesentliche Funktionen ihres Geräts nicht nutzen. Darüber hinaus lassen sie zwei funktionale Herausforderungen außer Acht: das Floorplanning der IP auf der programmierbaren Logik (PL) und die Generierung des Endprodukts der IP (Bitstream) unabhängig vom Gesamtdesign. In dieser Arbeit wird ein Pay-per-Use-Lizenzierungsschema vorgeschlagen und unter Verwendung eines security framework (SFW) realisiert, um all diese Herausforderungen anzugehen. Das vorgestellte Schema ist pragmatisch, weniger restriktiv für Systementwickler und bietet Sicherheit gegen IP-Diebstahl. Darüber hinaus werden Maßnahmen ergriffen, um das System vor einem IP zu schützen, das bösartige Schaltkreise enthält. Das „Secure Framework“ umfasst ein vertrauenswürdiges Betriebssystem, ein reichhaltiges Betriebssystem, mehrere unterstützende Komponenten (z. B. TrustZone- Logik, gegen Seitenkanalangriffe (SCA) resistente Entschlüsselungsschaltungen) und Softwarekomponenten, z. B. für die Bitstromanalyse. Ein Gerät, auf dem das SFW läuft, kann als vertrauenswürdiges Gerät betrachtet werden, das direkt mit einem Repository oder einem IP-Core-Entwickler kommunizieren kann, um IPs in verschlüsselter Form zu erwerben. Die Entschlüsselung und Authentifizierung des IPs erfolgt auf dem Gerät, was die Angriffsfläche verringert und es weniger anfällig für IP-Diebstahl macht. Außerdem werden Klartext-IPs in einem geschützten Speicher des vertrauenswürdigen Betriebssystems abgelegt. Das Klartext-IP wird dann analysiert und nur dann auf der programmierbaren Logik konfiguriert, wenn es authentisch ist und keine bösartigen Schaltungen enthält. Die Bitstrom-Analysefunktionalität und die SFW-Unterkomponenten ermöglichen die Partitionierung der PL-Ressourcen in sichere und unsichere Ressourcen, d. h. die Erweiterung desKonzepts der vertrauenswürdigen Ausführungsumgebung (TEE) auf die PL. Dies ist die erste Arbeit, die das TEE-Konzept auf die programmierbare Logik ausweitet. Bei der oben erwähnten SCA-resistenten Entschlüsselungsschaltung handelt es sich um die Implementierung des Advanced Encryption Standard, der so modifiziert wurde, dass er gegen elektromagnetische und stromverbrauchsbedingte Leckagen resistent ist. Das geschützte Design verfügt über zwei Gegenmaßnahmen, wobei die erste auf einer Vielzahl unterschiedler Implementierungsvarianten und veränderlichen Zielpositionen bei der Konfiguration basiert, während die zweite nur unterschiedliche Implementierungsvarianten verwendet. Diese Gegenmaßnahmen sind auch während der Laufzeit skalierbar. Bei der Bewertung werden auch die Auswirkungen der Skalierbarkeit auf den Flächenbedarf und die Sicherheitsstärke berücksichtigt. Darüber hinaus wird die zuvor erwähnte funktionale Herausforderung des IP Floorplanning durch den Vorschlag eines feinkörnigen Automatic Floorplanners angegangen, der auf gemischt-ganzzahliger linearer Programmierung basiert und aktuelle FPGAGenerationen mit größeren und komplexen Bausteine unterstützt. Der Floorplanner bildet eine Reihe von IPs auf dem FPGA ab, indem er präzise rekonfigurierbare Regionen schafft. Dadurch werden die verbleibenden verfügbaren Ressourcen für das Gesamtdesign maximiert. Die zweite funktionale Herausforderung besteht darin, dass die vorhandenen Tools keine native Funktionalität zur Erzeugung von IPs in einer eigenständigen Umgebung bieten. Diese Herausforderung wird durch den Vorschlag eines unabhängigen IP-Generierungsansatzes angegangen. Dieser Ansatz kann von den Marktteilnehmern verwendet werden, um IPs eines Entwurfs unabhängig vom Gesamtentwurf zu generieren, ohne die Kompatibilität der IPs mit dem Gesamtentwurf zu beeinträchtigen

Crypto-processeur architecture, programmation et évaluation de la sécurité

Les architectures des processeurs et coprocesseurs cryptographiques se montrent fréquemment vulnérables aux différents types d attaques ; en particulier, celles qui ciblent une révélation des clés chiffrées. Il est bien connu qu une manipulation des clés confidentielles comme des données standards par un processeur peut être considérée comme une menace. Ceci a lieu par exemple lors d un changement du code logiciel (malintentionné ou involontaire) qui peut provoquer que la clé confidentielle sorte en clair de la zone sécurisée. En conséquence, la sécurité de tout le système serait irréparablement menacée. L objectif que nous nous sommes fixé dans le travail présenté, était la recherche d architectures matérielles reconfigurables qui peuvent fournir une sécurité élevée des clés confidentielles pendant leur génération, leur enregistrement et leur échanges en implantant des modes cryptographiques de clés symétriques et des protocoles. La première partie de ce travail est destinée à introduire les connaissances de base de la cryptographie appliquée ainsi que de l électronique pour assurer une bonne compréhension des chapitres suivants. Deuxièmement, nous présentons un état de l art des menaces sur la confidentialité des clés secrètes dans le cas où ces dernières sont stockées et traitées dans un système embarqué. Pour lutter contre les menaces mentionnées, nous proposons alors de nouvelles règles au niveau du design de l architecture qui peuvent augmenter la résistance des processeurs et coprocesseurs cryptographiques contre les attaques logicielles. Ces règles prévoient une séparation des registres dédiés à l enregistrement de clés et ceux dédiés à l enregistrement de données : nous proposons de diviser le système en zones : de données, du chiffreur et des clés et à isoler ces zones les unes des autres au niveau du protocole, du système, de l architecture et au niveau physique. Ensuite, nous présentons un nouveau crypto-processeur intitulé HCrypt, qui intègre ces règles de séparation et qui assure ainsi une gestion sécurisée des clés. Mises à part les instructions relatives à la gestion sécurisée de clés, quelques instructions supplémentaires sont dédiées à une réalisation simple des modes de chiffrement et des protocoles cryptographiques. Dans les chapitres suivants, nous explicitons le fait que les règles de séparation suggérées, peuvent également être étendues à l architecture d un processeur généraliste et coprocesseur. Nous proposons ainsi un crypto-coprocesseur sécurisé qui est en mesure d être utilisé en relation avec d autres processeurs généralistes. Afin de démontrer sa flexibilité, le crypto-coprocesseur est interconnecté avec les processeurs soft-cores de NIOS II, de MicroBlaze et de Cortex M1. Par la suite, la résistance du crypto-processeur par rapport aux attaques DPA est testée. Sur la base de ces analyses, l architecture du processeur HCrypt est modifiée afin de simplifier sa protection contre les attaques par canaux cachés (SCA) et les attaques par injection de fautes (FIA). Nous expliquons aussi le fait qu une réorganisation des blocs au niveau macroarchitecture du processeur HCrypt, augmente la résistance du nouveau processeur HCrypt2 par rapport aux attaques de type DPA et FIA. Nous étudions ensuite les possibilités pour pouvoir reconfigurer dynamiquement les parties sélectionnées de l architecture du processeur crypto-coprocesseur. La reconfiguration dynamique peut être très utile lorsque l algorithme de chiffrement ou ses implantations doivent être changés en raison de l apparition d une vulnérabilité Finalement, la dernière partie de ces travaux de thèse, est destinée à l exécution des tests de fonctionnalité et des optimisations stricts des deux versions du cryptoprocesseur HCryptArchitectures of cryptographic processors and coprocessors are often vulnerable to different kinds of attacks, especially those targeting the disclosure of encryption keys. It is well known that manipulating confidential keys by the processor as ordinary data can represent a threat: a change in the program code (malicious or unintentional) can cause the unencrypted confidential key to leave the security area. This way, the security of the whole system would be irrecoverably compromised. The aim of our work was to search for flexible and reconfigurable hardware architectures, which can provide high security of confidential keys during their generation, storage and exchange while implementing common symmetric key cryptographic modes and protocols. In the first part of the manuscript, we introduce the bases of applied cryptography and of reconfigurable computing that are necessary for better understanding of the work. Second, we present threats to security of confidential keys when stored and processed within an embedded system. To counteract these threats, novel design rules increasing robustness of cryptographic processors and coprocessors against software attacks are presented. The rules suggest separating registers dedicated to key storage from those dedicated to data storage: we propose to partition the system into the data, cipher and key zone and to isolate the zones from each other at protocol, system, architectural and physical levels. Next, we present a novel HCrypt crypto-processor complying with the separation rules and thus ensuring secure key management. Besides instructions dedicated to secure key management, some additional instructions are dedicated to easy realization of block cipher modes and cryptographic protocols in general. In the next part of the manuscript, we show that the proposed separation principles can be extended also to a processor-coprocessor architecture. We propose a secure crypto-coprocessor, which can be used in conjunction with any general-purpose processor. To demonstrate its flexibility, the crypto-coprocessor is interconnected with the NIOS II, MicroBlaze and Cortex M1 soft-core processors. In the following part of the work, we examine the resistance of the HCrypt cryptoprocessor to differential power analysis (DPA) attacks. Following this analysis, we modify the architecture of the HCrypt processor in order to simplify its protection against side channel attacks (SCA) and fault injection attacks (FIA). We show that by rearranging blocks of the HCrypt processor at macroarchitecture level, the new HCrypt2 processor becomes natively more robust to DPA and FIA. Next, we study possibilities of dynamically reconfiguring selected parts of the processor - crypto-coprocessor architecture. The dynamic reconfiguration feature can be very useful when the cipher algorithm or its implementation must be changed in response to appearance of some vulnerability. Finally, the last part of the manuscript is dedicated to thorough testing and optimizations of both versions of the HCrypt crypto-processor. Architectures of crypto-processors and crypto-coprocessors are often vulnerable to software attacks targeting the disclosure of encryption keys. The thesis introduces separation rules enabling crypto-processor/coprocessors to support secure key management. Separation rules are implemented on novel HCrypt crypto-processor resistant to software attacks targetting the disclosure of encryption keysST ETIENNE-Bib. électronique (422189901) / SudocSudocFranceF

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

Sophisticated security verification on routing repaired balanced cell-based dual-rail logic against side channel analysis

Conventional dual-rail precharge logic suffers from difficult implementations of dual-rail structure for obtaining strict compensation between the counterpart rails. As a light-weight and high-speed dual-rail style, balanced cell-based dual-rail logic (BCDL) uses synchronised compound gates with global precharge signal to provide high resistance against differential power or electromagnetic analyses. BCDL can be realised from generic field programmable gate array (FPGA) design flows with constraints. However, routings still exist as concerns because of the deficient flexibility on routing control, which unfavourably results in bias between complementary nets in security-sensitive parts. In this article, based on a routing repair technique, novel verifications towards routing effect are presented. An 8 bit simplified advanced encryption processing (AES)-co-processor is executed that is constructed on block random access memory (RAM)-based BCDL in Xilinx Virtex-5 FPGAs. Since imbalanced routing are major defects in BCDL, the authors can rule out other influences and fairly quantify the security variants. A series of asymptotic correlation electromagnetic (EM) analyses are launched towards a group of circuits with consecutive routing schemes to be able to verify routing impact on side channel analyses. After repairing the non-identical routings, Mutual information analyses are executed to further validate the concrete security increase obtained from identical routing pairs in BCDL

Fault-Resilient Lightweight Cryptographic Block Ciphers for Secure Embedded Systems

The development of extremely-constrained environments having sensitive nodes such as RFID tags and nano-sensors necessitates the use of lightweight block ciphers. Indeed, lightweight block ciphers are essential for providing low-cost confidentiality to such applications. Nevertheless, providing the required security properties does not guarantee their reliability and hardware assurance when the architectures are prone to natural and malicious faults. In this thesis, considering false-alarm resistivity, error detection schemes for the lightweight block ciphers are proposed with the case study of XTEA (eXtended TEA). We note that lightweight block ciphers might be better suited for low-resource environments compared to the Advanced Encryption Standard, providing low complexity and power consumption. To the best of the author\u27s knowledge, there has been no error detection scheme presented in the literature for the XTEA to date. Three different error detection approaches are presented and according to our fault-injection simulations for benchmarking the effectiveness of the proposed schemes, high error coverage is derived. Finally, field-programmable gate array (FPGA) implementations of these proposed error detection structures are presented to assess their efficiency and overhead. The proposed error detection architectures are capable of increasing the reliability of the implementations of this lightweight block cipher. The schemes presented can also be applied to lightweight hash functions with similar structures, making the presented schemes suitable for providing reliability to their lightweight security-constrained hardware implementations

An Overview of Parallel Symmetric Cipher of Messages

مقدمة: على الرغم من التطورات الهامة في الاتصالات والتكنولوجيا، فقد أثبتت حماية البيانات نفسها كواحدة من أكبر الاهتمامات. يجب تشفير البيانات من أجل الارتباط بشكل آمن وسريع من خلال نقل البيانات التكنولوجية على شبكة الإنترنت. يمكن تعريف عملية التشفير بانها تحويل النص العادي إلى نص مشفر لا يمكن قراءته أو تغييره بواسطة الأشخاص المؤذيين.            طرق العمل: من أجل الحفاظ على الدرجة المطلوبة من الأمان ، استغرقت كل من عمليات تحليل التشفير وفك التشفير وقتًا طويلاً. ومع ذلك, من أجل تقليل مقدار الوقت المطلوب لإكمال عمليات التشفير وفك التشفير، طبق العديد من الباحثين طريقة التشفير بطريقة موازية. لقد كشف البحث الذي تم إجراؤه حول المشكلة عن العديد من الإجابات المحتملة. استخدم الباحثون التوازي لتحسين إنتاجية خوارزمياتهم، مما سمح لهم بتحقيق مستويات أداء أعلى في خوارزمية التشفير.                             النتائج: أظهرت الأبحاث الحديثة حول تقنيات التشفير المتوازي أن وحدات معالجة الرسومات (GPUs) تعمل بشكل أفضل من الأنظمة الأساسية المتوازية الأخرى عند مقارنة مستويات أداء التشفير.   الاستنتاجات: لإجراء بحث مقارنة حول أهم خوارزميات التشفير المتوازية من حيث فعالية أمن البيانات وطول المفتاح والتكلفة والسرعة، من بين أمور أخرى. تستعرض هذه الورقة العديد من الخوارزميات المتوازية الهامة المستخدمة في تشفير البيانات وفك تشفيرها في جميع التخصصات. ومع ذلك، يجب النظر في معايير أخرى لإظهار مصداقية أي تشفير. تعتبر اختبارات العشوائية مهمة جدًا لاكتشافها وتم تسليط الضوء عليها في هذه الدراسة.                                                              Background: Despite significant developments in communications and technology, data protection has established itself as one of the biggest concerns. The data must be encrypted in order to link securely, quickly through web-based technological data transmission. Transforming plain text into ciphered text that cannot be read or changed by malicious people is the process of encryption. Materials and Methods: In order to maintain the required degree of security, both the cryptanalysis and decryption operations took a significant amount of time. However, in order to cut down on the amount of time required for the encryption and decryption operations to be completed, several researchers implemented the cryptography method in a parallel fashion. The research that has been done on the problem has uncovered several potential answers. Researchers used parallelism to improve the throughput of their algorithms, which allowed them to achieve higher performance levels on the encryption algorithm. Results: Recent research on parallel encryption techniques has shown that graphics processing units (GPUs) perform better than other parallel platforms when comparing their levels of encryption performance. Conclusion: To carry out comparison research on the most significant parallel crypto algorithms in terms of data security efficacy, key length, cost, and speed, among other things. This paper reviews various significant parallel algorithms used for data encryption and decryption in all disciplines. However, other criteria must be considered in order to show the trustworthiness of any encryption. Randomness tests are very important to discover and are highlighted in this study

System-on-chip architecture for secure sub-microsecond synchronization systems

213 p.En esta tesis, se pretende abordar los problemas que conlleva la protección cibernética del Precision Time Protocol (PTP). Éste es uno de los protocolos de comunicación más sensibles de entre los considerados por los organismos de estandarización para su aplicación en las futuras Smart Grids o redes eléctricas inteligentes. PTP tiene como misión distribuir una referencia de tiempo desde un dispositivo maestro al resto de dispositivos esclavos, situados dentro de una misma red, de forma muy precisa. El protocolo es altamente vulnerable, ya que introduciendo tan sólo un error de tiempo de un microsegundo, pueden causarse graves problemas en las funciones de protección del equipamiento eléctrico, o incluso detener su funcionamiento. Para ello, se propone una nueva arquitectura System-on-Chip basada en dispositivos reconfigurables, con el objetivo de integrar el protocolo PTP y el conocido estándar de seguridad MACsec para redes Ethernet. La flexibilidad que los modernos dispositivos reconfigurables proporcionan, ha sido aprovechada para el diseño de una arquitectura en la que coexisten procesamiento hardware y software. Los resultados experimentales avalan la viabilidad de utilizar MACsec para proteger la sincronización en entornos industriales, sin degradar la precisión del protocolo