Multiplication in Finite Fields and Elliptic Curves

La cryptographie à clef publique permet de s'échanger des clefs de façon distante, d'effectuer des signatures électroniques, de s'authentifier à distance, etc. Dans cette thèse d'HDR nous allons présenter quelques contributions concernant l'implantation sûre et efficace de protocoles cryptographiques basés sur les courbes elliptiques. L'opération de base effectuée dans ces protocoles est la multiplication scalaire d'un point de la courbe. Chaque multiplication scalaire nécessite plusieurs milliers d'opérations dans un corps fini.Dans la première partie du manuscrit nous nous intéressons à la multiplication dans les corps finis car c'est l'opération la plus coûteuse et la plus utilisée. Nous présentons d'abord des contributions sur les multiplieurs parallèles dans les corps binaires. Un premier résultat concerne l'approche sous-quadratique dans une base normale optimale de type 2. Plus précisément, nous améliorons un multiplieur basé sur un produit de matrice de Toeplitz avec un vecteur en utilisant une recombinaison des blocs qui supprime certains calculs redondants. Nous présentons aussi un multiplieur pous les corps binaires basé sur une extension d'une optimisation de la multiplication polynomiale de Karatsuba.Ensuite nous présentons des résultats concernant la multiplication dans un corps premier. Nous présentons en particulier une approche de type Montgomery pour la multiplication dans une base adaptée à l'arithmétique modulaire. Cette approche cible la multiplication modulo un premier aléatoire. Nous présentons alors une méthode pour la multiplication dans des corps utilisés dans la cryptographie sur les couplages : les extensions de petits degrés d'un corps premier aléatoire. Cette méthode utilise une base adaptée engendrée par une racine de l'unité facilitant la multiplication polynomiale basée sur la FFT. Dans la dernière partie de cette thèse d'HDR nous nous intéressons à des résultats qui concernent la multiplication scalaire sur les courbes elliptiques. Nous présentons une parallélisation de l'échelle binaire de Montgomery dans le cas de E(GF(2^n)). Nous survolons aussi quelques contributions sur des formules de division par 3 dans E(GF(3^n)) et une parallélisation de type (third,triple)-and-add. Dans le dernier chapitre nous développons quelques directions de recherches futures. Nous discutons d'abord de possibles extensions des travaux faits sur les corps binaires. Nous présentons aussi des axes de recherche liés à la randomisation de l'arithmétique qui permet une protection contre les attaques matérielles

High Speed and Low Latency ECC Implementation over GF(2m) on FPGA

In this paper, a novel high-speed elliptic curve cryptography (ECC) processor implementation for point multiplication (PM) on field-programmable gate array (FPGA) is proposed. A new segmented pipelined full-precision multiplier is used to reduce the latency, and the Lopez-Dahab Montgomery PM algorithm is modified for careful scheduling to avoid data dependency resulting in a drastic reduction in the number of clock cycles (CCs) required. The proposed ECC architecture has been implemented on Xilinx FPGAs' Virtex4, Virtex5, and Virtex7 families. To the best of our knowledge, our single- and three-multiplier-based designs show the fastest performance to date when compared with reported works individually. Our one-multiplier-based ECC processor also achieves the highest reported speed together with the best reported area-time performance on Virtex4 (5.32 μs at 210 MHz), on Virtex5 (4.91 μs at 228 MHz), and on the more advanced Virtex7 (3.18 μs at 352 MHz). Finally, the proposed three-multiplier-based ECC implementation is the first work reporting the lowest number of CCs and the fastest ECC processor design on FPGA (450 CCs to get 2.83 μs on Virtex7)

Efficient Arithmetic for the Implementation of Elliptic Curve Cryptography

The technology of elliptic curve cryptography is now an important branch in public-key based crypto-system. Cryptographic mechanisms based on elliptic curves depend on the arithmetic of points on the curve. The most important arithmetic is multiplying a point on the curve by an integer. This operation is known as elliptic curve scalar (or point) multiplication operation. A cryptographic device is supposed to perform this operation efficiently and securely. The elliptic curve scalar multiplication operation is performed by combining the elliptic curve point routines that are defined in terms of the underlying finite field arithmetic operations. This thesis focuses on hardware architecture designs of elliptic curve operations. In the first part, we aim at finding new architectures to implement the finite field arithmetic multiplication operation more efficiently. In this regard, we propose novel schemes for the serial-out bit-level (SOBL) arithmetic multiplication operation in the polynomial basis over F_2^m. We show that the smallest SOBL scheme presented here can provide about 26-30\% reduction in area-complexity cost and about 22-24\% reduction in power consumptions for F_2^{163} compared to the current state-of-the-art bit-level multiplier schemes. Then, we employ the proposed SOBL schemes to present new hybrid-double multiplication architectures that perform two multiplications with latency comparable to the latency of a single multiplication. Then, in the second part of this thesis, we investigate the different algorithms for the implementation of elliptic curve scalar multiplication operation. We focus our interest in three aspects, namely, the finite field arithmetic cost, the critical path delay, and the protection strength from side-channel attacks (SCAs) based on simple power analysis. In this regard, we propose a novel scheme for the scalar multiplication operation that is based on processing three bits of the scalar in the exact same sequence of five point arithmetic operations. We analyse the security of our scheme and show that its security holds against both SCAs and safe-error fault attacks. In addition, we show how the properties of the proposed elliptic curve scalar multiplication scheme yields an efficient hardware design for the implementation of a single scalar multiplication on a prime extended twisted Edwards curve incorporating 8 parallel multiplication operations. Our comparison results show that the proposed hardware architecture for the twisted Edwards curve model implemented using the proposed scalar multiplication scheme is the fastest secure SCA protected scalar multiplication scheme over prime field reported in the literature