Σχεδιασμός κρυπτογραφικών συστημάτων με υλικό ειδικού σκοπού

Abstract

The evolution of mobile-wireless computing systems have triggered the development of new cryptographic needs. Therefore, existing and new cryptographic algorithm architectures have to be designed in order to satisfy the mobile wireless system specifications. Wireless mobile standards limit a wireless system's throughput to less than a hundred Mbps. This is a quite satisfactory limit and it is capable to support real-time applications as voice, video and online streaming. Additionally, the nature of mobile systems highlights the needs for strict power and area constrains. However, many cryptographic designs focus on achieving high-throughput by unrolling the rounds of the algorithm and using extended pipelining techniques. These designs that can achieve high throughput rates, are appropriate for high-end applications that are not constrained in power consumption and chip covered area. Therefore, it is impossible to integrate these modules in mobile systems. The main contributions of this PhD thesis involve: A Lightweight secure mechanism which presents a top-down design methodology. There are three contributions in the domain of optimized cryptographic operations: a) Versatile multiplier for GF(2⁸) Finite Fields, b) Optimized SubBytes transformation in terms of power and area, c) Optimized MixColumns transformation in terms of power and area. Finally an 8-bit Advanced Encryption Standard Design with low power-low area properties is proposed.

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής με τίτλο “Σχεδιασμός Κρυπτογραφικών Συστημάτων με Υλικό Ειδικού Σκοπού” είναι ο σχεδιασμός κρυπτογραφικών μηχανισμών για την ενσωμάτωσή τους σε συστήματα περιορισμένων πόρων (κόστος υλικού, καταναλισκόμενη ισχύς, ενέργεια). Πρωταρχικοί στόχοι είναι η περιορισμένη κατανάλωση ισχύος και η ελαχιστοποίηση του κόστους υλικού ενώ ο ρυθμός απόδοσης σε αυτά τα συστήματα αποτελεί δεύτερο στόχο. Σύγχρονα συστήματα όπως έξυπνες κάρτες και RFID ετικέτες δεν έχουν την απαιτούμενη επιφάνεια για να ολοκληρώσουν-ενσωματώσουν μεγάλα συστήματα κρυπτογραφίας άλλα ούτε τους απαραίτητους πόρους σε ενέργεια. Οι κρυπτογραφικές πράξεις είναι από τη φύση τους δύσκολο να αναλυθούν, να απλοποιηθούν και να υλοποιηθούν. Παρόλα αυτά η διδακτορική διατριβή έδειξε ότι μπορεί να εφαρμοστούν σε αυτές τεχνικές χαμηλής κατανάλωσης ισχύος. Αν σε ένα κρυπτογραφικό σύστημα, οι μη αποδοτικές πράξεις από πλευράς κατανάλωσης ισχύος του συνολικού συστήματος μπορεί να αποκτήσουν χαρακτηριστικά χαμηλής κατανάλωσης ισχύος, τότε μειώνεται αισθητά η μέση κατανάλωση ισχύος. Στην προσπάθεια μείωσης της μέσης κατανάλωσης ισχύος των αλγορίθμων είναι ο εντοπισμός των λιγότερο αποδοτικών πράξεων των κρυπτογραφικών συστημάτων και η μελέτη-ανάλυση με σκοπό τη μείωση της κατανάλωσης ισχύος. Επειδή είναι προφανές πως η μεθοδολογία αυτή προορίζεται για συστήματα χαμηλών πόρων πρέπει και το αντίστοιχο κόστος σε υλικό να είναι περιορισμένο.