Te I. Hardwareimplementierung kryptographischer Algorithmen. Ein kleiner Einblick. Jan Kossick Fakultät Informatik TU Dresden

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1 Hardwarimplmntirung kryptographischr Algorithmn Ein klinr Einblick Jan Kossick Fakultät nformatik U rsdn 1 nstitut für chnisch nformatik

2 nhalt Gschicht dr Kryptografi Von dn Anfängn bis zum End ds 19. Jahrhundrts Krckhoffs-Prinzip und On-im-Pad Erst Hardwarimplmntirungn - dr 2. Wltkrig omputr vs. Vrschlüsslungsstratgin Kryptografisch Hardwar kurz vorgstllt (o-)prozssorn, Smartards, USB, RF mplmntirung am Bispil - RF und E Ein paar Wort zu E Grundsätz für das sign von mplmntirungn i mplmntirung und ihr Effizinz Sichrhit von Hardwar i Zukunft dr Hardwarvrschlüsslung 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 2

3 Gschicht dr Kryptografi Gschicht dr Kryptografi Von dn Anfängn bis zum End ds 19. Jahrhundrts Krckhoffs-Prinzip und On-im-Pad Erst Hardwarimplmntirungn - dr 2. Wltkrig omputr vs. Vrschlüsslungsstratgin 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 3

4 Gschicht dr Kryptografi i Anfäng 1900 v. hr. Ägyptisch Hiroglyphn 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 4

5 Gschicht dr Kryptografi 600 v. hr v. hr. 600 v. hr. Hbräisch nschrift 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 5

6 Gschicht dr Kryptografi 600 v. hr v. hr. 600 v. hr. Skytala dr Grichn 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 6

7 Gschicht dr Kryptografi Mittlaltr 1900 v. hr. 600 v. hr. Mittlaltr 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 7

8 Gschicht dr Kryptografi 16. Jahrhundrt 1900 v. hr. 600 v. hr. Mittlaltr 16. Jh. Königin Elisabth. Maria Stuart 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 8

9 Gschicht dr Kryptografi Krckhoffs-Prinzip und On-im-Pad 1900 v. hr. 600 v. hr. Mittlaltr 16. Jh. 1 End 19. Jh. nstitut für chnisch nformatik Foli 9

10 Gschicht dr Kryptografi Krckhoffs-Prinzip und On-im-Pad 1900 v. hr. 600 v. hr. Mittlaltr 16. Jh. End 19. Jh. i Sichrhit ins Kryptosystms darf nicht von dr Ghimhaltung ds Algorithmus abhängn. i Sichrhit gründt sich nur auf di Ghimhaltung ds Schlüssls. August Krckhoffs von Niuwndorf, nstitut für chnisch nformatik Foli 10

11 Gschicht dr Kryptografi Krckhoffs-Prinzip und On-im-Pad 1900 v. hr. 600 v. hr. Mittlaltr 16. Jh. End 19. Jh. Gilbrt Vrnam, 1918 Vrschlüsslung von xtn mit Schlüssln, drn Läng glich dr xtläng ist. i Vrschlüsslung ist bwisbar informationsthortisch nicht ntschlüsslbar ohn Knntnis ds Schlüssls. 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 11

12 Gschicht dr Kryptografi r 2. Wltkrig 1900 v. hr. 600 v. hr. Mittlaltr 16. Jh. 1 End 19. Jh. 2. Wltkrig nstitut für chnisch nformatik Foli 12

13 Gschicht dr Kryptografi r 2. Wltkrig 1900 v. hr. 600 v. hr. Mittlaltr 16. Jh. End 19. Jh. 2. Wltkrig Simns 52 Enigma 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 13

14 Gschicht dr Kryptografi r 2. Wltkrig 1900 v. hr. 600 v. hr. Mittlaltr 16. Jh. End 19. Jh. 2. Wltkrig Lornz SZ42 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 14

15 Gschicht dr Kryptografi r 2. Wltkrig 1900 v. hr. 600 v. hr. Mittlaltr 16. Jh. End 19. Jh. 2. Wltkrig Baudot-Murray-od od Buchstabn A B E F G H J K L M N O P 1 Ziffrn/Zichn? : Wr a? 3 unbnutzt unbnutzt unbnutzt 8 Klingl ( )., 9 0 od Buchstabn Ziffrn/Zichn Q 1 R 4 S ' 5 U 7 V W 2 X / Y 6 Z + Wagnrücklauf Zilnvorschub Lrzichn Umschaltung Buchstabn Umschaltung Ziffrn/Zichn unbnutzt nstitut für chnisch nformatik Foli 15

16 Gschicht dr Kryptografi r 2. Wltkrig 1900 v. hr. 600 v. hr. Mittlaltr 16. Jh. 1 End 19. Jh. 2. Wltkrig nstitut für chnisch nformatik Foli 16

17 Gschicht dr Kryptografi omputr vs. Vrschlüsslung 1900 v. hr. 600 v. hr. Mittlaltr 16. Jh. 1 End 19. Jh. 2. Wltkrig ab 1945 nstitut für chnisch nformatik Foli 17

18 Gschicht dr Kryptografi omputr vs. Vrschlüsslung 1900 v. hr. 600 v. hr. Mittlaltr 16. Jh. End 19. Jh. 2. Wltkrig ab 1945 Entwicklung von olossus, Zus Z3, ENA 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 18

19 Gschicht dr Kryptografi omputr vs. Vrschlüsslung 1900 v. hr. 600 v. hr. Mittlaltr 16. Jh. End 19. Jh. 2. Wltkrig ab 1945 Entwicklung von olossus, Zus Z3, ENA Entschlüsslung chiffrirtr xt in annhmbarr Zit 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 19

20 Gschicht dr Kryptografi omputr vs. Vrschlüsslung 1900 v. hr. 600 v. hr. Mittlaltr 16. Jh. End 19. Jh. 2. Wltkrig ab 1945 Entwicklung von olossus, Zus Z3, ENA Entschlüsslung chiffrirtr xt in annhmbarr Zit nu Vrschlüsslungsalgorithmn mit dm Zil auch auf omputrn nicht in annhmbarr Zit glöst zu wrdn 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 20

21 Gschicht dr Kryptografi omputr vs. Vrschlüsslung 1900 v. hr. 600 v. hr. Mittlaltr 16. Jh. End 19. Jh. 2. Wltkrig ab r Entwicklung starkr Algorithmn (1976: ES, 1977: RSA) Prozssorn zu langsam für zusätzlich Aufgabn Kryptografisch oprozssorn 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 21

22 Gschicht dr Kryptografi omputr vs. Vrschlüsslung 1900 v. hr. 600 v. hr. Mittlaltr 16. Jh. End 19. Jh. 2. Wltkrig ab r 80r Entwicklung starkr Algorithmn (1976: ES, 1977: RSA) Prozssorn zu langsam für zusätzlich Aufgabn Kryptografisch oprozssorn Prozssorn wrdn listungsfähigr Softwarimplmntirungn wrdn möglich End 80r: Entwicklung E und HyprE 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 22

23 Gschicht dr Kryptografi omputr vs. Vrschlüsslung 1900 v. hr. 600 v. hr. Mittlaltr 16. Jh. End 19. Jh. 2. Wltkrig ab r 80r ab 90r Entwicklung starkr Algorithmn (1976: ES, 1977: RSA) Prozssorn zu langsam für zusätzlich Aufgabn Kryptografisch oprozssorn Prozssorn wrdn listungsfähigr Softwarimplmntirungn wrdn möglich End 80r: Entwicklung E und HyprE immr größr Vrbritung von omputrn omputr nicht für Sichrhit ausglgt Notwndigkit gutr, schnllr Vrschlüsslung 2001: Ablösung von ES durch AES 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 23

24 Kryptografisch Hardwar kurz vorgstllt Kryptografisch Hardwar kurz vorgstllt (o-)prozssorn Smartards USB RF 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 24

25 Kryptografisch Hardwar kurz vorgstllt (o-)prozssorn oprozssorn zur Entlastung von Hauptprozssorn spzill für kryptografisch Algorithmn ausglgt bnötign Softwar (ribr) 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 25

26 Kryptografisch Hardwar kurz vorgstllt Smartards oprozssorn zur Entlastung von Hauptprozssorn spzill für kryptografisch Algorithmn ausglgt bnötign Softwar (ribr) Smartards Sichrhit mit wnig Stromvrbrauch und wnig Platzbdarf 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 26

27 Kryptografisch Hardwar kurz vorgstllt USB Grät oprozssorn zur Entlastung von Hauptprozssorn spzill für kryptografisch Algorithmn ausglgt bnötign Softwar (ribr) Smartards Sichrhit mit wnig Stromvrbrauch und wnig Platzbdarf USB Grät Sichrhitsaspkt ähnlich wi Smartards 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 27

28 Kryptografisch Hardwar kurz vorgstllt RF oprozssorn zur Entlastung von Hauptprozssorn spzill für kryptografisch Algorithmn ausglgt bnötign Softwar (ribr) Smartards Sichrhit mit wnig Stromvrbrauch und wnig Platzbdarf USB Grät Sichrhitsaspkt ähnlich wi Smartards RF minimal Platz- und Enrgirsrvn kontaktlos atnübrtragung Abhörgfahr hoh Anfordrung an Sichrhit und Effizinz dr Umstzung 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 28

29 mplmntirung am Bispil RF und E mplmntirung am Bispil - RF und E Ein paar Wort zu E Grundsätz für das sign von mplmntirungn i mplmntirung und ihr Effizinz 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 29

30 mplmntirung am Bispil RF und E Anfordrungn? Wi schnll muss di Hardwar arbitn? 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 30

31 mplmntirung am Bispil RF und E Anfordrungn? Wi schnll muss di Hardwar arbitn? Wi vil Enrgi darf di Hardwar vrbrauchn? Wi hoch darf di maximal Stromaufnahm sin? 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 31

32 mplmntirung am Bispil RF und E Anfordrungn? Wi schnll muss di Hardwar arbitn? Wi vil Enrgi darf di Hardwar vrbrauchn? Wi hoch darf di maximal Stromaufnahm sin? Wi vil Platz darf di Hardwar innhmn? 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 32

33 mplmntirung am Bispil RF und E RF und E 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 33

34 mplmntirung am Bispil RF und E Ein paar Wort zu E asymmtrisch Vrwndung ds Problms ds diskrtn Logarithmus' übr lliptischn Kurvn (ELP) 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 34

35 mplmntirung am Bispil RF und E ELP E (G, ) 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 35

36 mplmntirung am Bispil RF und E ELP E (G, ) g, h, x E 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 36

37 mplmntirung am Bispil RF und E ELP E (G, ) g, h, x E x g h 1 (x log (h)) g nstitut für chnisch nformatik Foli 37

38 mplmntirung am Bispil RF und E ELP E (G, ) g, h, x E x g h alt. Schribwis: P, Q, x E Q xp 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 38

39 mplmntirung am Bispil RF und E Graphisch Punktaddition Bispilkurv: 0 y² + x³ +ax +b Graphisch Punktaddition: Grad durch Punkt P und Punkt Q Punkt R* Spiglung an dr x-achs Punkt R Q + P 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 39

40 mplmntirung am Bispil RF und E atnaustausch ggbn: lliptisch Kurv gnutzt Körpr Basispunkt P zufälligr privatr Schlüssl von Prson A: xa öffntlichr Schlüssl von Prson A: QA xap analog Prson B Ablauf: Prson A brchnt RA xaqb Prson B brchnt RB xbqa Schlüssl R: RA xaqb xaxbp xbxap xbqa RB Prson hat nur P, QA, QB und R und muss xa odr xb brchnn gnauso aufwndig wi das ELP 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 40

41 mplmntirung am Bispil RF und E Grundsätz für das sign von mplmntirungn am vorligndn Bispil 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 41

42 mplmntirung am Bispil RF und E Anfordrungn Anfordrungn: gring Größ und wnig Stromaufnahm atndurchsatz/gschwindigkit zwitrangig 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 42

43 mplmntirung am Bispil RF und E Art dr Hardwar Anfordrungn: gring Größ und wnig Stromaufnahm atndurchsatz/gschwindigkit zwitrangig Art dr Hardwar fstvrdrahtt Schaltkris (AS) softwargsturt Microprozssorn rkonfigurirbar Schaltkris (FPGA) 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 43

44 mplmntirung am Bispil RF und E Architktur Anfordrungn: gring Größ und wnig Stromaufnahm atndurchsatz/gschwindigkit zwitrangig Art dr Hardwar fstvrdrahtt Schaltkris (AS) softwargsturt Microprozssorn rkonfigurirbar Schaltkris (FPGA) Architktur Größ ds Schaltkriss minimirn aktfrqunz möglichst klin haltn Schaltvorgäng bschränkn 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 44

45 mplmntirung am Bispil RF und E i mplmntirung Mathmatisch Grundlagn nput: ntgr x > 0 und Punkt P Output: Q xp x (xn-1,..., x1, x0)2 Q P For i from (n 2) downto 0 do Q 2*Q f xi 1 thn Q Q + P EndFor Rturn Q 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 45

46 mplmntirung am Bispil RF und E i mplmntirung Elliptic urv Procssor 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 46

47 mplmntirung am Bispil RF und E i mplmntirung Elliptic urv Procssor 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 47

48 mplmntirung am Bispil RF und E i mplmntirung Arithmtisch Einhit ALU 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 48

49 mplmntirung am Bispil RF und E i mplmntirung Arithmtisch Einhit ALU a + a 2a mod nstitut für chnisch nformatik Foli 49

50 mplmntirung am Bispil RF und E i mplmntirung Arithmtisch Einhit ALU x A * B A * bi * 2i mit B (b166,..., b0)2 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 50

51 mplmntirung am Bispil RF und E i mplmntirung Elliptic urv Procssor 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 51

52 mplmntirung am Bispil RF und E i Effizinz ALU: Addition: 1akt, 167 paralll arbitnd XOR Gattr Multiplikation: 167 akt, 1 Zwischnrgistr, 1 Schibrgistr von 168 Bit Quadrirung: 86 akt, 1 Zwischnrgistr mit 333 Bit nvrtirung: 167 akt ROM: Platzbdarf durch kombinatorisch Schaltung < 0,1% RAM: Platzbdarf durch FlipFlops > 50% Größnbtrachtung bi 0,35 µm MOS ALU: 0,45 mm² RAM: 0,66 mm² U: 0,2 mm² Gattr: max. aktfrqunz bi 0,35 µm MOS: 68,5 Mhz 150 Kurvnoprationn/s Rduzirung dr aktrat (bzogn auf ALU): bi 80 µa pro 1 Mhz und 3,3 V: 17 mw Listungsaufnahm bi 80 µa pro 1 Mhz und 1,5 V: 4 mw Listungsaufnahm 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 52

53 Sichrhit von Hardwar Sichrhit von Hardwar 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 53

54 Zukunft dr Hardwarvrschlüsslung? Zukunft dr Hardwarvrschlüsslung? 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 54

55 Qulln Grhard M. Glasr: "Vrschlüsslung" , Wikipdia: "Kryptografi" , Unbkannt: "MEP: ods and iphrs. Unit 19 Lornz iphr Machin". Frank artr: "olossus and th Braking of th Lornz iphr". Unbkannt: "i Gschich dr Kryptographi bis hut". Martin Fldhofr, Krstin Lmk, Elisabth Oswald, Francois-Xavir Standart, homas Wollingr, Johanns Wolkrstorfr: "Stat of th Art in Hardwar Architcturs" , Rvision 1.0, Arnaud Laggr: "mplmntation of ES Algorithm Using FPGA chnology". 2002, Ljla Batina, Gurric Muric d ormal, Elisabth Oswald, Johanns Wolkrstorfr: "Stat of th Art in Hardwar mplmntations of ryptographic Algorithms" , Rvision 1.0, cryptovision (Hrsg.): "E Kryptographi auf Basis lliptischr Kurvn (Ein kurz Einführung)". Mathias Schmalisch, Marc-Sbastian Fidlr, irk immrmann: "Ein ALU für di schnll Brchnung dr Kryptographi auf Basis lliptischr Kurvn". 2003, nstitut für chnisch nformatik Foli 55

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