Methodologies for deriving hardware architectures and VLSI implementations for cryptographic embedded systems

Abstract

Ο 21ος αιώνας θεωρείται η εποχή της μαζικής επικοινωνίας και της ηλεκτρονικής πληροφορίας. Υπάρχει μία δραματική αύξηση των ηλεκτρονικών συναλλαγών σε όλο τον κόσμο. Αυτές οι ηλεκτρονικές επικοινωνίες και συναλλαγές ποικίλουν από αποστολή και λήψη πακέτων δεδομένων μέσω του Διαδικτύου ή αποθήκευση πολυμεσικών δεδομένων, έως και κρίσιμες οικονομικές ή/και στρατιωτικές υπηρεσίες. Όμως, αυτή η εξέλιξη αναδεικνύει την ανάγκη για περισσότερη ασφάλεια, ιδιαίτερα στις περιπτώσεις όπου οι πληροφορίες που ανταλλάσσονται αφορούν ευαίσθητα ή/και εμπιστευτικά δεδομένα. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η ασφάλεια θεωρείται αναπόσπαστο χαρακτηριστικό των εμπλεκομένων εφαρμογών και συστημάτων. Η ασφάλεια επιτυγχάνεται μέσω της κρυπτογράφησης και της αυθεντικοποίησης. Η αυθεντικοποίηση γίνεται χρησιμοποιώντας πρωτόκολλα αυθεντικοποίησης που βασίζονται σε κρυπτογραφικές συναρτήσεις κατακερματισμού. Συνεπώς, οι τελευταίες παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο στον τομέα της ασφάλειας και, όπως συμβαίνει στην πλειοψηφία των βασικών αλγορίθμων ασφαλείας, οι υλοποιήσεις σε λογισμικό (software) επικρατούν στις μέρες μας. Παρόλα αυτά, οι υλοποιήσεις σε υλικό (hardware) είναι η κύρια επιλογή όσον αφορά στρατιωτικές εφαρμογές και εφαρμογές κρίσιμης ασφάλειας. Η NSA, για παράδειγμα, εξουσιοδοτεί μόνο υλοποιήσεις σε υλικό. Αυτό γιατί οι υλοποιήσεις σε υλικό είναι πολύ γρηγορότερες από τις αντίστοιχες σε λογισμικό, ενώ προσφέρουν και υψηλά επίπεδα «φυσικής» ασφάλειας λόγω κατασκευής. Έτσι, όσον αφορά τις κρυπτογραφικές συναρτήσεις κατακερματισμού, όπως ισχύει γενικά στις υλοποιήσεις υλικού, ανακύπτουν τρία (ανάμεσα σε άλλα) κύρια θέματα: Επιδόσεις, Αξιοπιστία, Ευελιξία. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να παράσχει λύσεις υλοποίησης σε υλικό για κρυπτογραφικές συναρτήσεις κατακερματισμού, στοχεύοντας στα τρία κύρια ζητήματα που αφορούν υλοποιήσεις σε υλικό, τα οποία προαναφέρθηκαν (Επιδόσεις, Αξιοπιστία, Ευελιξία). Συγκεκριμένα, προτείνονται μεθοδολογίες σχεδιασμού αρχιτεκτονικών υλικού (καθώς και οι αρχιτεκτονικές αυτές καθαυτές) για τις οικογένειες SHA-1 και SHA-2 (τρέχοντα πρότυπα συναρτήσεων κατακερματισμού) οι οποίες επιτυγχάνουν υψηλή ρυθμαπόδοση με λογική αύξηση της επιφάνειας ολοκλήρωσης. Επίσης, προτείνονται αρχιτεκτονικές οι οποίες επιτυγχάνουν υψηλή ρυθμαπόδοση με λογική αύξηση της επιφάνειας ολοκλήρωσης για τις νέες κρυπτογραφικές συναρτήσεις JH και Skein. Οι προτεινόμενες αρχιτεκτονικές υλικού παρουσιάζουν τις υψηλότερες επιδόσεις ρυθμαπόδοσης/επιφάνεια σε σχέση με όλες τις προϋπάρχουσες στη βιβλιογραφία. Ακόμα, προτείνονται για πρώτη φορά μεθοδολογίες σχεδιασμού πλήρως αυτοελεγχόμενων αρχιτεκτονικών υλικού (καθώς και οι αρχιτεκτονικές αυτές καθαυτές) για τις οικογένειες SHA-1 και SHA-2. Οι αρχιτεκτονικές αυτές έχουν τη δυνατότητα να ανιχνεύουν πιθανά λάθη κατά τη λειτουργία τους ενώ επιτυγχάνουν υψηλή ρυθμαπόδοση με λογική αύξηση της επιφάνειας ολοκλήρωσης. Επιπρόσθετα είναι αποδοτικότερες ως προς την επιφάνεια, τη ρυθμαπόδοση/επιφάνεια, και την κατανάλωση ενέργειας σε σχέση με τις αντίστοιχες αρχιτεκτονικές που προκύπτουν με διπλασιασμό υλικού. Τέλος, προτείνονται μεθοδολογίες σχεδιασμού πολύτροπων αρχιτεκτονικών υλικού (καθώς και οι αρχιτεκτονικές αυτές καθαυτές) για τις οικογένειες SHA-1 και SHA-2. Οι αρχιτεκτονικές αυτές έχουν τη δυνατότητα να υποστηρίξουν παραπάνω από μία συνάρτηση ενώ επιτυγχάνουν υψηλή ρυθμαπόδοση με λογική αύξηση της επιφάνειας ολοκλήρωσης. Επίσης, είναι αποδοτικότερες όσον αφορά την επιφάνεια και τη ρυθμαπόδοση/επιφάνεια σε σχέση με τις αντίστοιχες πολύτροπες αρχιτεκτονικές που παράγονται από εμπορικό εργαλείο σύνθεσης.