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TDC2016SP - Trilha Embarcados
1) O documento discute considerações importantes para construir hardware para criptografia, incluindo custos de operações, módulos em corpos binários e precauções contra ataques conhecidos. 2) É apresentado o AES como um algoritmo criptográfico simétrico e discutidas suas implementações em hardware utilizando FPGAs. 3) São explicados conceitos importantes como criptografia simétrica e assimétrica, e exemplos como RSA e curvas elípticas.
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- 2. Construindo hardware . paracriptografia ... O que ´e preciso considerar? Luckas Farias (Judocka) luckas.judocka@gmail.com luckas.farias@usp.br Engenharia da Computa¸c˜ao - Escola Polit´ecnica Universidade de S˜ao Paulo - USP 07 de Julho de 2016
- 3. Cronograma Motiva¸c˜ao Contextualiza¸c˜ao Criptografia Hardware! AES M´odulos em CorposBin´arios Custo de Opera¸c˜oes Precau¸c˜oes Ataques conhecidos e vulnerabilidades 3 / 70
- 4. Luckas, quem ´evocˆe? Formado em Ciˆencia da Computa¸c˜ao - UEL Mestrando em Engenharia da Computa¸c˜ao - USP Escoteiro Fotografo Membro IEEE Young Professionals Mentor para ramos estudantis Geek em eventos: RoadSec Latinoware CPBR BSideSP STEP Hackathon CryptoRave Engenheiro de cora¸c˜ao 4 / 70
- 5. Sum´ario Motiva¸c˜ao Contextualiza¸c˜ao Criptografia Hardware! AES M´odulos em CorposBin´arios Custo de Opera¸c˜oes Precau¸c˜oes Ataques conhecidos e vulnerabilidades 5 / 70
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- 10. Custos da criptografia? Tempo? Processamento? Conhecimento? Otimiza¸c˜oes? Umpouco mais real... 6 / 70
- 11. MICAz (ATMega128) Artigo: “Implementa¸c˜aoeficiente de criptografia de curvas elipticas em sensores sem fio” 7 / 70
- 12. ARM processor at600MHz Artigo: “A Performance Comparison of Elliptic Curve Scalar Multiplication Algorithms on Smartphones” 8 / 70
- 13. Solu¸c˜oes da Literatura BoardCurve Cycles Time 8-bit processor Atmega 128 163-bit ECC 111.183.513 13.9 segundos Dispositivos MICAz (ATMega128) sect163k1 7.022.289 0.95 segundos Dispositivos MICAz (ATMega128) sect163k1 5.100.400 0.69 segundos Texas Instrument MSP430 ECC 160-bit key 5.400.000 8-bit processor Atmega 128 ECC 163-bit key 3.930.000 (GLV) 8-bit processor Atmega 128 ECC 163-bit key 5.945.000 (Montgomery) 9 / 70
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- 16. Custo de opera¸c˜oesem ECC Eberle NIST curves Curvas gen´ericas F163 F163 62% Multiplica¸c˜ao 81% Multiplica¸c˜ao 11 / 70
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- 18. Paraleliza¸c˜ao da Arquitetura Eberle NISTcurves Curvas gen´ericas F163 F163 62% Multiplica¸c˜ao 81% Multiplica¸c˜ao 36% com Hardware 20% com Hardware 103.33ns 1,356.11ns 13 / 70
- 19. Visualmente Eficiˆencia de 156,25%em curvas NIST Eficiˆencia de 125,00% em curvas gen´ericas 14 / 70
- 20. Alguns resultados dehardware 15 / 70
- 21. Estudo de ParalelismoF512 16 / 70
- 22. Estudo de ParalelismoF512 17 / 70
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- 25. Sum´ario Motiva¸c˜ao Contextualiza¸c˜ao Criptografia Hardware! AES M´odulos em CorposBin´arios Custo de Opera¸c˜oes Precau¸c˜oes Ataques conhecidos e vulnerabilidades 20 / 70
- 26. O que ´eCriptografia? Criptografia ´e o estudo de t´ecnicas matem´aticas que visam a seguran¸ca da informa¸c˜ao, por meio das quais ´e poss´ıvel obter-se a integridade dos dados, autenticidade das entidades e autenticidade da informa¸c˜ao. 21 / 70
- 27. O que ´eCriptografia? Criptografia ´e o estudo de t´ecnicas matem´aticas que visam a seguran¸ca da informa¸c˜ao, por meio das quais ´e poss´ıvel obter-se a integridade dos dados, autenticidade das entidades e autenticidade da informa¸c˜ao. OK.... Mas isso ´e muito formal, n˜ao? 21 / 70
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- 29. Todos PRECISAM se comunicar 1 1 Cinderela,Disney, 22 de Maio de 1950 23 / 70
- 30. H´a quem quer lera mensagem... 2 ...Mesmo essa n˜ao sendo destinada a ele... 2 Mal´evola em “A bela adormecida”, Disney, 06 de Fevereiro de 1959 24 / 70
- 31. E com aperda da informa¸c˜ao... 3 ...As coisas geralmente n˜ao acabam bem. 3 “A bela adormecida”, Viktor Mikhailovich Vasnetsov 25 / 70
- 32. Sum´ario Motiva¸c˜ao Contextualiza¸c˜ao Criptografia Hardware! AES M´odulos em CorposBin´arios Custo de Opera¸c˜oes Precau¸c˜oes Ataques conhecidos e vulnerabilidades 26 / 70
- 33. Tipos de criptografia Existem2 grandes grupos em que os algoritmos criptogr´aficos s˜ao divididos. 27 / 70
- 34. Tipos de criptografia Existem2 grandes grupos em que os algoritmos criptogr´aficos s˜ao divididos. Criptografia Sim´etrica Criptografia Assim´etrica 27 / 70
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- 36. A chave quefecha abre 29 / 70
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- 38. Quem fecha n˜aoabre 31 / 70
- 39. Exemplos ElGamal Diffie–Hellman RSA Curvas El´ıpticas Criptogr´aficaso/ P´os-quantica o/o/ 32 / 70
- 40. Sum´ario Motiva¸c˜ao Contextualiza¸c˜ao Criptografia Hardware! AES M´odulos em CorposBin´arios Custo de Opera¸c˜oes Precau¸c˜oes Ataques conhecidos e vulnerabilidades 33 / 70
- 41. Design Modular Por exemplo,a implementa¸c˜ao de uma assinatura feita totalmente em hardware deve considerar que a ´unica entrada no dispositivo ´e a mensagem a ser assinada e a ´unica sa´ıda ´e a assinatura desta mensagem. O processo de implementa¸c˜ao pode ser representado como: 34 / 70
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- 48. Placas legais Parallella -Zynq Xilinx 41 / 70
- 49. Placas legais Zedboard -Zynq Xilinx 42 / 70
- 50. N˜ao t˜ao embarcadoassim... Net FPGA 43 / 70
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- 52. O FUTURO Intel XeonFPGA 45 / 70
- 53. O FUTURO Intel XeonFPGA 46 / 70
- 54. Sum´ario Motiva¸c˜ao Contextualiza¸c˜ao Criptografia Hardware! AES M´odulos em CorposBin´arios Custo de Opera¸c˜oes Precau¸c˜oes Ataques conhecidos e vulnerabilidades 47 / 70
- 55. O que ´eAES? Advanced Encryption Standard O AES ´e um algoritmo que usa criptografia sim´etrica, sendo capaz de codificar e decodificar blocos de informa¸c˜ao de 128 bits. Parˆametros Data (bits) Rounds key size (bits) 128 10 128 128 12 192 128 14 256 48 / 70
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- 57. Sum´ario Motiva¸c˜ao Contextualiza¸c˜ao Criptografia Hardware! AES M´odulos em CorposBin´arios Custo de Opera¸c˜oes Precau¸c˜oes Ataques conhecidos e vulnerabilidades 50 / 70
- 58. M´odulos para aritm´etica Opera¸c˜oesem F2m s˜ao tipicamente f´aceis de se implementar em hardware, se comparados a implementa¸c˜ao sobre Fp. A adi¸c˜ao em F2m n˜ao possui uma propaga¸c˜ao de carry (vai um). Al´em disso, o quadrado em Fp ´e semelhante a uma multiplica¸c˜ao, entretanto em corpos bin´arios existem otimiza¸c˜oes para calcular-se em 1 pulso de clock. 51 / 70
- 59. Exemplo no corpoF24 Em F24 o polinˆomio irredut´ıvel ´e f (z) = z4 + z1 + z0. Exemplos de opera¸c˜oes aritm´eticas: Adi¸c˜ao: (z3 + z2 + 1) ⊕ (z2 + z + 1) = z3 + z Subtra¸c˜ao: (z3 + z2 + 1) ⊕ (z2 + z + 1) = z3 + z Multiplica¸c˜ao: (z3 + z2 + 1).(z2 + z + 1) = z5 + z + 1 = z.z4 + z + 1 = z(z + 1) + z + 1 = z2 + z + z + 1 = z2 + 1 Invers˜ao: (z3 + z2 + 1)−1 = z2 Sabendo que (z3 + z2 + 1).z2mod(z4 + z + 1) = 1 52 / 70
- 60. Multiplica¸c˜ao esquem´atico Caso aredu¸c˜ao polinomial f (z) seja fixa pode-se projetar o multiplicador com um n´ıvel menor de complexidade, isso pois a redu¸c˜ao precisa de um registrador menor. 53 / 70
- 61. Quadrado de umpolinˆomio A representa¸c˜ao bin´aria de a(z)2 ´e obtida inserindo 0 entre os valores dos bits (posi¸c˜oes ´ımpares do polinˆomio). 54 / 70
- 62. Exemplo de Hardware Seconsiderarmos o corpo F27 cujo polinˆomio irredut´ıvel seja f (z) = z7 + z + 1, temos que: c = a2 c = a6z12 + a5z10 + a4z8 + a3z6 + a2z4 + a1z2 + a0z0 c = (a6 +a3)z6 +a6z5 +(a5 +a2)z4 +a5z3 +(a4 +a1)z2 +a4z +a0 55 / 70
- 63. Sum´ario Motiva¸c˜ao Contextualiza¸c˜ao Criptografia Hardware! AES M´odulos em CorposBin´arios Custo de Opera¸c˜oes Precau¸c˜oes Ataques conhecidos e vulnerabilidades 56 / 70
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- 66. Sum´ario Motiva¸c˜ao Contextualiza¸c˜ao Criptografia Hardware! AES M´odulos em CorposBin´arios Custo de Opera¸c˜oes Precau¸c˜oes Ataques conhecidos e vulnerabilidades 59 / 70
- 67. Como se proteger deataques? Considerando protocolos sem backdors, os ataques sobre maneiras de implementar recaem sobre: Ataques de medida de tempo Ataques de consumo de potˆencia ”Ladr˜oes de galinha” 60 / 70
- 68. Ataques de medida Oalgoritmo depende dos elementos Em busca de “otimiza¸c˜oes” como multiplicar por 0000...0010 Equa¸c˜oes n˜ao completas Depende de “conferˆencias” Solu¸c˜oes Usar equa¸c˜oes completas N˜ao usar sistemas que necessitam de checagem Mesmo parecendo burro, fa¸ca com que sempre tenha o mesmo tempo 61 / 70
- 69. Perspectivas futuras Curvas El´ıpticas(mais) Robustas P´os-quˆantica 62 / 70
- 70. Sum´ario Motiva¸c˜ao Contextualiza¸c˜ao Criptografia Hardware! AES M´odulos em CorposBin´arios Custo de Opera¸c˜oes Precau¸c˜oes Ataques conhecidos e vulnerabilidades 63 / 70
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- 76. Interessou? Ent˜ao m˜aos `aobra! 69 / 70
- 77. Obrigado pela aten¸c˜ao Obrigadoa CAPES pela bolsa que me permite realizar minha pesquisa; Ao Prof. Paulo e ao Prof. Bruno por estar me orientando neste mestrado; Obrigado a Karoline pelas revis˜oes. E-mail: luckas.judocka@gmail.com E-mail: luckas.farias@usp.br Facebook: fb.com/luckas.judocka Linkedin: br.linkedin.com/in/luckas 70 / 70