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

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 /

Supporting distributed computation over wide area gigabit networks

The advent of high bandwidth fibre optic links that may be used over very large distances has lead to much research and development in the field of wide area gigabit networking. One problem that needs to be addressed is how loosely coupled distributed systems may be built over these links, allowing many computers worldwide to take part in complex calculations in order to solve "Grand Challenge" problems. The research conducted as part of this PhD has looked at the practicality of implementing a communication mechanism proposed by Craig Partridge called Late-binding Remote Procedure Calls (LbRPC). LbRPC is intended to export both code and data over the network to remote machines for evaluation, as opposed to traditional RPC mechanisms that only send parameters to pre-existing remote procedures. The ability to send code as well as data means that LbRPC requests can overcome one of the biggest problems in Wide Area Distributed Computer Systems (WADCS): the fixed latency due to the speed of light. As machines get faster, the fixed multi-millisecond round trip delay equates to ever increasing numbers of CPU cycles. For a WADCS to be efficient, programs should minimise the number of network transits they incur. By allowing the application programmer to export arbitrary code to the remote machine, this may be achieved. This research has looked at the feasibility of supporting secure exportation of arbitrary code and data in heterogeneous, loosely coupled, distributed computing environments. It has investigated techniques for making placement decisions for the code in cases where there are a large number of widely dispersed remote servers that could be used. The latter has resulted in the development of a novel prototype LbRPC using multicast IP for implicit placement and a sequenced, multi-packet saturation multicast transport protocol. These prototypes show that it is possible to export code and data to multiple remote hosts, thereby removing the need to perform complex and error prone explicit process placement decisions

Enterprise network convergence: path to cost optimization

During the past two decades, telecommunications has evolved a great deal. In the eighties, people were using television, radio and telephone as their communication systems. Eventually, the introduction of the Internet and the WWW immensely transformed the telecommunications industry. This internet revolution brought about a huge change in the way businesses communicated and operated. Enterprise networks now had an increasing demand for more bandwidth as they started to embrace newer technologies. The requirements of the enterprise networks grew as the applications and services that were used in the network expanded. This stipulation for fast and high performance communication systems has now led to the emergence of converged network solutions. Enterprises across the globe are investigating new ways to implement voice, video, and data over a single network for various reasons – to optimize network costs, to restructure their communication system, to extend next generation networking abilities, or to bridge the gap between their corporate network and the existing technological progress. To date, organizations had multiple network services to support a range of communication needs. Investing in this type of multiple communication infrastructures limits the networks ability to provide resourceful bandwidth optimization services throughout the system. Thus, as the requirements for the corporate networks to handle dynamic traffic grow day by day, the need for a more effective and efficient network arises. A converged network is the solution for enterprises aspiring to employ advanced applications and innovative services. This thesis will emphasize the importance of converging network infrastructure and prove that it leads to cost savings. It discusses the characteristics, architecture, and relevant protocols of the voice, data and video traffic over both traditional infrastructure and converged architecture. While IP-based networks present excellent quality for non real-time data networking, the network by itself is not capable of providing reliable, quality and secure services for real-time traffic. In order for IP networks to perform reliable and timely transmission of real-time data, additional mechanisms to reduce delay, jitter and packet loss are required. Therefore, this thesis will also discuss the important mechanisms for running real-time traffic like voice and video over an IP network. Lastly, it will also provide an example of an enterprise network specifications (voice, video and data), and present an in depth cost analysis of a typical network vs. a converged network to prove that converged infrastructures provide significant savings

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

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

An Architecture for the AES-GCM Security Standard

The forth recommendation of symmetric block cipher mode of operation SP800-38D, Galois/Counter Mode of Operation (GCM) was developed by David A McGrew and John Viega. GCM uses an approved symmetric key block cipher with a block size of 128 bits and a universal hashing over a binary Galois field to provide confidentiality and authentication. It is built specifically to support very high data rates as it can take advantage of pipelining and parallel processing techniques. Before GCM, SP800-38A only provided confidentiality and SP800-38B provided authentication. SP800-38C provided confidentiality using the counter mode and authentication. However the authentication technique in SP800-38C was not parallelizable and slowed down the throughput of the cipher. Hence, none of these three recommendations were suitable for high speed network and computer system applications. With the advent of GCM, authenticated encryption at data rates of several Gbps is now practical, permitting high grade encryption and authentication on systems which previously could not be fully protected. However there have not yet been any published results on actual architectures for this standard based on FPGA technology. This thesis presents a fully pipelined and parallelized hardware architecture for AES-GCM which is GCM running under symmetric block cipher AES on a FPGA multi-core platform corresponding to the IPsec ESP data flow. The results from this thesis show that the round transformations of confidentiality and hash operations of authentication in AES-GCM can cooperate very efficiently within this pipelined architecture. Furthermore, this AES-GCM hardware architecture never unnecessarily stalls data pipelines. For the first time this thesis provides a complete FPGA-based high speed architecture for the AES-GCM standard, suitable for high speed embedded applications

NetGlance NMS - An integrated network monitoring system

Mestrado de dupla diplomação com a Kuban State Agrarian UniversityThis work is about IT infrastructure and, in particular, computer networks in KubSAU and IPB. Also, it is about a network monitoring system “NetGlance NMS” developed for KubSAU System Administration Department. Work objective is to optimize the information structure for KubSAU and IPB. During the work, following tasks were completed: Research the existing IPB information structure, Compare the information structure for KubSAU and IPB, Model the IPB computer network (topology, services), Research bottlenecks and potential pitfalls in the data-center and in the computer network of IPB, Research information security mechanisms in the computer network of IPB, Organize monitoring process for the computer network in KubSAU. The most important impact of the work is an increasing network productivity and user experience as a result of creation and deploy a monitoring software.O trabalho descrito no âmbito desta dissertação incide sobre a infraestrutura TI e, em particular, sobre as redes de computadores da KubSAU e do IPB. Além disso, descreve-se um sistema de gestão integrada de redes, designada “NetGlance NMS”, desenvolvido para o Departamento de Administração de Sistemas da KubSAU. O objetivo do trabalho é desenvolver uma ferramenta para otimizar a gestão da estrutura de comunicações das duas instituições. Durante o trabalho, as seguintes tarefas foram concluídas: levantamento da estrutura de comunicações do IPB, comparação da estrutura de comunicações entre a KubSAU e o IPB, modelação da rede de comunicações do IPB (topologia, serviços), estudo de possíveis estrangulamentos no datacenter e na rede de comunicações doIPB, estudo de mecanismos de segurança na rede de comunicações do IPB, organização do processo de monitorização da rede de comunicações da KubSAU. O contributo mais relevante deste trabalho é o desenvolvimento de uma aplicação de gestão integrada de redes, de forma a contribuir para o aumento da produtividade da rede e da experiência dos utilizadores