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 - TY - THES A1 - Stecklina, Oliver T1 - A secure isolation of software activities in Tiny Scale Systems T1 - Eine sichere Trennung von Software-Aktivitäten auf ressourcen-beschränkten Systemen N2 - With the introduction of the Internet at the end of the last century the modern society was fundamentally changed. Computer systems became an element of nearly all parts of our daily live. Due to the interconnection of these systems local borders are mostly vanished, so that information is accessible and exchangeable anywhere and at anytime. But this increased connectivity causes that physical fences are no longer an adequate protection for computer systems. Whereas the security of commodity computer systems was improved continuously and similarly with their increased connectivity, deeply embedded systems were then and now mostly protected by physical fences. But the ubiquitous availability of embedded systems in personal and commercial environments makes these systems likewise accessible and moves them strongly into the focus of security investigations. Deeply embedded systems are usually equipped with tiny scale micro controllers, which are limited in their available resources and do not feature secure mechanisms to isolate system resources. Hence, a single error in a local software component is not limited to the component itself, instead the complete system may be influenced. The lack of resource isolation makes tiny scale systems prone for accidental errors but in particular vulnerable for a broad variety of malicious software. For a safe and secure operation of computer systems it is strongly recommended that software components are isolated in such a manner that they have access only to those resources, which are assigned to them. Even though a substantial number of approaches in the context of embedded system’s safety were investigated during the last fifteen years, security was mostly neglected. This thesis is focused on security aspects where malicious software wittingly tries to bypass available protection mechanisms. The thesis introduces a security platform for tiny scale systems that enforces an isolation of software components considering security aspects. Due to the limited resources of tiny scale systems the proposed solution is based on a co-design process that takes the static and predefined nature of deeply embedded systems into account and includes hardware, compile-time, and run-time partitions to reduce the number of additional run-time components, to avoid performance drawbacks, and to minimize the memory as well as the components footprint overhead. To prove the applicability of the presented platform it was applied and evaluated with two real applications. In addition, an investigation of technologies of commodity computer systems that are suitable to build secure systems is presented. The thesis analyzes their enforcement based on the features provided by the introduced security platform. The contributions of this thesis include an enforcement of a security isolation of system resources on tiny scale systems and enable the development of a broad variety of secure tiny scale system applications. N2 - Mit der Einführung des Internets am Ende des letzten Jahrhunderts hat sich in der heutigen Gesellschaft ein nachhaltiger Wandel vollzogen. Computer-Systeme wurden Bestandteil in nahezu allen Bereichen unseres täglichen Lebens. Durch die zunehmende Vernetzung der Systeme sind räumliche Grenzen weitgehend verschwunden, so dass die Informationen überall und jederzeit verfügbar sind bzw. verändert werden können. Diese erhöhte Konnektivität bedingt jedoch, dass der Schutz der Computer-Systeme durch physische Maßnahmen nicht mehr gewährleistet werden kann. Während die Sicherheit von alltäglichen Computer-Systemen kontinuierlich und in nahezu gleicher Weise zu ihrer gestiegenen Konnektivität verbessert wurde, sind tief eingebettete Systeme damals wie heute meist durch physikalische Maßnahmen geschützt. Die allgegenwärtige Verfügbarkeit von eingebetteten Systemen in persönlichen als auch in kommerziellen Umgebungen macht diese Systeme jedoch in gleicher Weise für jedermann zugänglich und macht sie damit zu einem zentralen Bestandteil der aktuellen Sicherheitsforschung. Tief eingebettete Systeme sind in der Regel mit kleinen Mikrocontrollern ausgestattet, die über begrenzte Ressourcen verfügen und keine sicheren Mechanismen zur Trennung von Systemressourcen bereitstellen. Hierdurch ist ein einzelner Fehler in einer lokalen Softwarekomponente nicht auf diese Komponente beschränkt, sondern beeinträchtigt nicht selten das gesamte System. Diese Schwäche macht eingebettete Systeme anfällig für zufällige Fehler, aber auch insbesondere anfällig für eine Vielzahl von bösartiger Software. Für einen stabilen und sicheren Betrieb von Computer-Systemen ist es zwingend erforderlich, dass Software-Komponenten in einer Art und Weise isoliert werden, dass sie nur Zugriff auf jene Ressourcen haben, die ihnen zugeordnet wurden. Wenngleich in den letzten fünfzehn Jahren eine beträchtliche Anzahl von Ansätzen zur Erhöhung der funktionalen Sicherheit in tief eingebetteten Systemen untersucht wurde, wurde die Sicherheit gegenüber Angriffen Dritter weitestgehend vernachlässigt. Die hier vorliegende Arbeit konzentriert sich auf Sicherheitsaspekte zur Abwehr von bösartiger Software, die wissentlich versucht verfügbare Schutzmechanismen zu umgehen. Die Arbeit stellt eine Sicherheitsplattform für kleine tief eingebettete Systeme bereit, die eine Trennung von Softwarekomponenten unter Berücksichtigung von Sicherheitsaspekten erzwingt. Aufgrund der begrenzten Ressourcen dieser Systeme basiert die vorgeschlagene Lösung auf einem Co-Design-Prozess, der den statischen und vordefinierten Charakter von tief eingebetteten Systemen berücksichtigt. Der Prozess beinhaltet Hardware-, Compile-Zeit- und Laufzeit-Komponenten um die Zahl der zur Laufzeit notwendigen Komponenten möglichst gering zu halten. Hierdurch sollen nachteilige Einflüsse auf die Laufzeit, den Speicherplatzbedarf sowie die Größe von Hardware-Komponenten minimiert werden. Um die Verwendbarkeit der präsentierten Plattform nachzuweisen, wurden zwei reale Anwendungen auf diese portiert. Zusätzlich wurden etablierte Technologien zum Bau von sicheren Systemen hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit auf tief eingebetteten Systemen analysiert. Hierzu wurde deren Umsetzbarkeit unter Nutzung der durch die Sicherheitsplattform bereitgestellten Sicherheitsfunktionen untersucht. Der wesentliche Beitrag dieser Arbeit beinhaltet die Bereitstellung einer sicheren Trennung von Systemressourcen auf kleinen, tief eingebetteten Systemen, so dass eine Entwicklung einer Vielzahl von sicheren Systemanwendungen auf diesen Systemen möglich wird. KW - Security KW - Embedded systems KW - Memory protection KW - Hardware software co-design KW - Role-based access control KW - Eingebettete Systeme KW - Sicherheit KW - Speicherschutz KW - Rollen-basierte Zugriffskontrolle KW - Hardware-Software Co-Design KW - Eingebettetes System KW - Speicherzugriff KW - Zuverlässigkeit Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-40362 ER -