TY - THES A1 - Sojka-Piotrowska, Anna T1 - On the applicability of short key asymmetric cryptography in low power wireless sensor networks T1 - Über die Anwendbarkeit asymmetrischer Kryptographie mit kurzen Schlüsseln in drahtlosen Sensornetzwerken N2 - The growing popularity of Wireless Sensor Networks (WSN) makes the spectrum of their applications very wide. A great number of the application areas like health monitoring or military applications require a high level of security and dependability from the wireless sensor network. Solving these issues can be supported by providing cryptographic solutions into WSN applications. Since the WSNs mainly consist of low power devices, cryptographic solutions ideal for WSNs should provide computationally lightweight security mechanisms producing small data packets and ensuring confidentiality. Cryptographic mechanisms that have both these features are considered in this thesis, which main objective is the analysis of the applicability of the short key elliptic curve cryptography in WSN environments. Reduced key lengths require modification of the standard ECC security algorithms to provide authentication and also a novel solution for a cryptographic secure pseudo-random number generator. The proposed solution is based on the standard ECC, but it differs in several aspects. The main difference is that the parameters of the used elliptic curve have to be kept secret. This is due to the fact that solving the Discreet Logarithm Problem (DLP) for such short parameters can be done in short time. Additionally, using shorter parameters for the underlying elliptic curves excludes also the use of standard hash functions, what mainly influences the mechanisms for generating the digital signature. Hash functions require large input values and produce relatively large output data that is inapplicable in the shortECC environment. Thus, within this thesis a modified version of standard Elliptic Curves Digital Signature Algorithm is proposed, which does not require any hash function. The shortECC needs pseudo-random numbers in the encryption and the digital signature protocols, but since it operates on numbers that are significantly shorter than the ones used by other cryptographic approaches, pseudo-random number generators for standard approaches are not suitable for shortECC. Thus, the new pseudo-random number generator not involving any additional hardware besides the modules available on the used test platform and operating on 32-bit long integers, is proposed. The randomness of the numbers generated by the proposed algorithm and their applicability for cryptographic purposes was evaluated using the NIST test suites. The shortECC approach was also subjected to cryptanalysis in order to proof its security and determine the circumstances and constraints for its application. N2 - Die große Popularität drahtloser Sensornetzwerke ist vor allem auf deren großes Anwendungsspektrum zurückzuführen. Viele Anwendungsbereiche wie die Telemedizin zur Patientenüberwachung oder auch Anwendungen für das Militär haben jedoch sehr hohe Anforderungen an die Sicherheit und Zuverlässigkeit solcher drahtlosen Netzwerke. Kryptographische Verfahren können helfen diese Anforderungen zu erfüllen. Drahtlose Sensornetzwerke bestehen allerdings oft aus energielimitierten Geräten. Entsprechend sind kryptographische Verfahren gefordert, die den Anforderungen an eine hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit bei niedrigem Energieverbrauch genügen, d.h. leichtgewichtige kryptografische Operationen sowie die Übertragung kleiner Datenmengen. Der Fokus dieser wissenschaftlichen Arbeit liegt auf der Untersuchung von Ansätzen, die beiden Eigenschaften erfüllen. Hauptziel dabei ist die Analyse der Anwendbarkeit kryptografischer Verfahren in drahtlosen Sensornetzwerken, die auf elliptischen Kurven mit kurzen Schlüsseln basieren (shortECC).Verkürzte Schlüssellängen erfordern dabei Modifikationen der Standardalgorithmen für Kryptografie mit Elliptischen Kurven (Elliptic Curve Cryprography – ECC), um Authentifikation zu gewährleisten sowie auch eine neue Lösung für den kryptografischen Pseudozufallszahlengenerator bereitzustellen. Die vorgeschlagene Lösung (shortECC) basiert auf dem Standard ECC, unterscheidet sich aber in einigen wesentlichen Aspekten: Der Hauptunterschied liegt in der Geheimhaltung verschiedener Parameter, die im Standard ECC in der öffentlichen Domäne vorkommen. Das ist vor allem dadurch begründet, dass die Lösung des diskreten mit solchen kurzen Schlüsseln für den Standard ECC sehr einfach wäre. Zudem schließt für die vorgesehene Schlüssellänge von 32-bit beziehungsweise 64-bit die Verwendung der Standard Hash-Funktionen aus. Hash-Funktionen nehmen große Daten als Eingang und produzieren Werte, die für den Einsatz in der shortECC Umgebung zu groß sind. Dies beeinflusst hauptsächlich die Algorithmen für die Generierung von Digitalen Signaturen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Algorithmus vorgestellt und evaluiert, der keine Hash-Funktion erfordert. Bei den shortECC Algorithmen werden Zufallszahlen für die Verschlüsselung und das Generieren einer Digitalen Signatur benutzt. Da aber die Standardansätze von kryptografischen Zufallszahlgeneratoren für die kurzen Zahlen nicht immer geeignet sind, wurde eine neue und sehr effiziente Lösung für einen sicheren Pseudozufallszahlengenerator vorgestellt und evaluiert. Der vorgeschlagene Generator verwendet keine zusätzliche Hardwaremodule, kann aber verschiedene Hardwaremodule zum Initialisieren nutzen. Die Qualität der generierten Zufallszahlen für kryptografische Zwecke wurde mit der NIST Test Suite mit einem sehr positiven Ergebnis evaluiert. Der vorgeschlagene shortECC-Ansatz wurde auch mit kryptoanalytischen Methoden untersucht, um die angebotene Sicherheit aber auch die Schwachpunkte und Umstände, in welchen diese entstehen, zu ermitteln. KW - ECC KW - Sensor Networks KW - PRNG KW - Lightweight cryptography KW - Elliptische Kurven KW - Drahtlose Sensornetze KW - Zufallszahl Generator KW - Drahtloses Sensorsystem KW - Zufallsgenerator Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-39453 ER -