Soft Error Resistant Design of the AES Cipher Using SRAM-based FPGA

This thesis presents a new architecture for the reliable implementation of the symmetric-key algorithm Advanced Encryption Standard (AES) in Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). Since FPGAs are prone to soft errors caused by radiation, and AES is highly sensitive to errors, reliable architectures are of significant concern. Energetic particles hitting a device can flip bits in FPGA SRAM cells controlling all aspects of the implementation. Unlike previous research, heterogeneous error detection techniques based on properties of the circuit and functionality are used to provide adequate reliability at the lowest possible cost. The use of dual ported block memory for SubBytes, duplication for the control circuitry, and a new enhanced parity technique for MixColumns is proposed. Previous parity techniques cover single errors in datapath registers, however, soft errors can occur in the control circuitry as well as in SRAM cells forming the combinational logic and routing. In this research, propagation of single errors is investigated in the routed netlist. Weaknesses of the previous parity techniques are identified. Architectural redesign at the register-transfer level is introduced to resolve undetected single errors in both the routing and the combinational logic. Reliability of the AES implementation is not only a critical issue in large scale FPGA-based systems but also at both higher altitudes and in space applications where there are a larger number of energetic particles. Thus, this research is important for providing efficient soft error resistant design in many current and future secure applications

On Security and Privacy for Networked Information Society : Observations and Solutions for Security Engineering and Trust Building in Advanced Societal Processes

Our society has developed into a networked information society, in which all aspects of human life are interconnected via the Internet — the backbone through which a significant part of communications traffic is routed. This makes the Internet arguably the most important piece of critical infrastructure in the world. Securing Internet communications for everyone using it is extremely important, as the continuing growth of the networked information society relies upon fast, reliable and secure communications. A prominent threat to the security and privacy of Internet users is mass surveillance of Internet communications. The methods and tools used to implement mass surveillance capabilities on the Internet pose a danger to the security of all communications, not just the intended targets. When we continue to further build the networked information upon the unreliable foundation of the Internet we encounter increasingly complex problems,which are the main focus of this dissertation. As the reliance on communication technology grows in a society, so does the importance of information security. At this stage, information security issues become separated from the purely technological domain and begin to affect everyone in society. The approach taken in this thesis is therefore both technical and socio-technical. The research presented in this PhD thesis builds security in to the networked information society and provides parameters for further development of a safe and secure networked information society. This is achieved by proposing improvements on a multitude of layers. In the technical domain we present an efficient design flow for secure embedded devices that use cryptographic primitives in a resource-constrained environment, examine and analyze threats to biometric passport and electronic voting systems, observe techniques used to conduct mass Internet surveillance, and analyze the security of Finnish web user passwords. In the socio-technical domain we examine surveillance and how it affects the citizens of a networked information society, study methods for delivering efficient security education, examine what is essential security knowledge for citizens, advocate mastery over surveillance data by the targeted citizens in the networked information society, and examine the concept of forced trust that permeates all topics examined in this work.Yhteiskunta, jossa elämme, on muovautunut teknologian kehityksen myötä todelliseksi tietoyhteiskunnaksi. Monet verkottuneen tietoyhteiskunnan osa-alueet ovat kokeneet muutoksen tämän kehityksen seurauksena. Tämän muutoksen keskiössä on Internet: maailmanlaajuinen tietoverkko, joka mahdollistaa verkottuneiden laitteiden keskenäisen viestinnän ennennäkemättömässä mittakaavassa. Internet on muovautunut ehkä keskeisimmäksi osaksi globaalia viestintäinfrastruktuuria, ja siksi myös globaalin viestinnän turvaaminen korostuu tulevaisuudessa yhä enemmän. Verkottuneen tietoyhteiskunnan kasvu ja kehitys edellyttävät vakaan, turvallisen ja nopean viestintäjärjestelmän olemassaoloa. Laajamittainen tietoverkkojen joukkovalvonta muodostaa merkittävän uhan tämän järjestelmän vakaudelle ja turvallisuudelle. Verkkovalvonnan toteuttamiseen käytetyt menetelmät ja työkalut eivät vain anna mahdollisuutta tarkastella valvonnan kohteena olevaa viestiliikennettä, vaan myös vaarantavat kaiken Internet-liikenteen ja siitä riippuvaisen toiminnan turvallisuuden. Kun verkottunutta tietoyhteiskuntaa rakennetaan tämän kaltaisia valuvikoja ja haavoittuvuuksia sisältävän järjestelmän varaan, keskeinen uhkatekijä on, että yhteiskunnan ydintoiminnot ovat alttiina ulkopuoliselle vaikuttamiselle. Näiden uhkatekijöiden ja niiden taustalla vaikuttavien mekanismien tarkastelu on tämän väitöskirjatyön keskiössä. Koska työssä on teknisen sisällön lisäksi vahva yhteiskunnallinen elementti, tarkastellaan tiukan teknisen tarkastelun sijaan aihepiirä laajemmin myös yhteiskunnallisesta näkökulmasta. Tässä väitöskirjassa pyritään rakentamaan kokonaiskuvaa verkottuneen tietoyhteiskunnan turvallisuuteen, toimintaan ja vakauteen vaikuttavista tekijöistä, sekä tuomaan esiin uusia ratkaisuja ja avauksia eri näkökulmista. Työn tavoitteena on osaltaan mahdollistaa entistä turvallisemman verkottuneen tietoyhteiskunnan rakentaminen tulevaisuudessa. Teknisestä näkökulmasta työssä esitetään suunnitteluvuo kryptografisia primitiivejä tehokkaasti hyödyntäville rajallisen laskentatehon sulautetuviiille järjestelmille, analysoidaan biometrisiin passeihin, kansainväliseen passijärjestelmään, sekä sähköiseen äänestykseen kohdistuvia uhkia, tarkastellaan joukkovalvontaan käytettyjen tekniikoiden toimintaperiaatteita ja niiden aiheuttamia uhkia, sekä tutkitaan suomalaisten Internet-käyttäjien salasanatottumuksia verkkosovelluksissa. Teknis-yhteiskunnallisesta näkökulmasta työssä tarkastellaan valvonnan teoriaa ja perehdytään siihen, miten valvonta vaikuttaa verkottuneen tietoyhteiskunnan kansalaisiin. Lisäksi kehitetään menetelmiä parempaan tietoturvaopetukseen kaikilla koulutusasteilla, määritellään keskeiset tietoturvatietouden käsitteet, tarkastellaan mahdollisuutta soveltaa tiedon herruuden periaatetta verkottuneen tietoyhteiskunnan kansalaisistaan keräämän tiedon hallintaan ja käyttöön, sekä tutkitaan luottamuksen merkitystä yhteiskunnan ydintoimintojen turvallisuudelle ja toiminnalle, keskittyen erityisesti pakotetun luottamuksen vaikutuksiin