Ψηφιακή σχεδίαση και υλοποίηση κάρτας κρυπτογράφησης για μυστική επικοινωνία βασισμένη σε FPGA τεχνολογία

Abstract

Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει τη διαδικασία σχεδίασης και υλοποίησης μιας ολοκληρωμένης και αυτόνομης κάρτας κρυπτογράφησης. Η συγκεκριμένη κάρτα έχει ονομαστεί LAM και εισάγει ένα ψηφιακό ολοκληρωμένο κύκλωμα το οποίο βασίζεται στο Peripheral Component Interconnection (PCI) δίαυλο. Η υλοποίηση της παραπάνω κάρτας κρυπτογράφησης σχεδιάστηκε με τη χρήση προγραμματιζόμενου ολοκληρωμένου κυκλώματος Field Programmable Gate Arrays (FPGA). Ο αντικειμενικός σκοπός της διατριβής είναι να προσφέρει σε βάθος γνώση αναφορικά με τη διαδικασία σχεδίασης και υλοποίησης ενός ψηφιακού κυκλώματος κρυπτογράφησης που βασίζεται στην τεχνολογία των ολοκληρωμένων προγραμματιζόμενων κυκλωμάτων FPGA με χρήση της γλώσσας περιγραφής υλικού Very High Speed Integrated Circuits Hardware Description Language (VHDL). Το συγκεκριμένο ψηφιακό κύκλωμα μπορεί να αξιοποιηθεί σαν κάρτα προσωπικού υπολογιστή. Η προαναφερόμενη κάρτα σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε σαν μια ολοκληρωμένη διαφανής συσκευή με δυνατότητα συμμετρικής κρυπτογράφησης/αποκρυπτογράφησης, ενσωματώνοντας ένα σύστημα δημιουργίας και διαχείρισης κλειδιών κρυπτογράφησης καθώς και συγχρονισμού με άλλες επικοινωνούντες συσκευές. Για την εκπόνηση της διατριβής πραγματοποιήθηκε μελέτη στα παρακάτω ερευνητικά πεδία. Στο πρώτο στάδιο μελετήθηκαν τα κυκλώματα FPGA, η γλώσσα περιγραφής υλικού VHDL, η κατανομή και ο χώρος σχεδίασης που περιλαμβάνει η υλοποίηση του κυκλώματος εσωτερικά στο Chip και τα εργαλεία υλοποίησης και ανάπτυξης. Στο δεύτερο στάδιο έγινε μελέτη των αρχών μετάδοσης δεδομένων μέσω του Internet, της κάρτας διασύνδεσης Ethernet και της επικοινωνίας πραγματικού χρόνου μέσω TCP/IP πρωτοκόλλου. Στο τρίτο στάδιο πραγματοποιήθηκε μελέτη στο μετασχηματισμό και μεταφορά κλειδιών από εξωτερική μνήμη στην εσωτερική μνήμη της κάρτας κρυπτογράφησης με τη βοήθεια Linear Feedback Shift Register (LFSR), στον προγραμματισμό LFSR και στην επιλογή κλειδιών (αδύναμα κλειδιά). Στο τέταρτο στάδιο μελετήθηκαν ερευνητικά θέματα που άπτονται της δημιουργίας και διαχείρισης κλειδιών συμμετρικής κρυπτογραφίας. Έπειτα έγινε μελέτη στη μετάδοση ψηφιακών δεδομένων μέσω πρωτοκόλλων DVB/DAB. Στη συνέχεια μελετήθηκε η εξουσιοδότηση χρήστη με Έξυπνες Κάρτες (Smart Cards) και το πρωτόκολλο ανάγνωσης των έξυπνων καρτών. Επιπλέον μελετήθηκαν η αρχιτεκτονική, οι αρχές επικοινωνίας του PCI διαύλου και ο χρονισμός του συστήματος, ενώ έγινε και ανάλυση των υπαρχόντων συμμετρικών αλγορίθμων κρυπτογράφησης που έχουν υλοποιηθεί σε επίπεδο υλικού. Ένα ακόμη πεδίο μελέτης υπήρξε ο συγχρονισμός των καρτών κρυπτογράφησης σε απομακρυσμένα συστήματα καθώς και η διάρκεια της ασφαλούς επικοινωνίας. Τέλος μελετήθηκαν οι βασικές αρχές για την προστασία από εξωτερικές παρεμβολές λόγω ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας καθώς και οι απαιτήσεις από εξωτερικά κυκλώματα για την ικανοποίηση των ηλεκτρικών απαιτήσεων της κάρτας.