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Das Internet der Dinge (IoT) und drahtlose Sensor-Netzwerke (WSNs) sind grundlegende Konzepte für die Vernetzung der heutigen globalen Informationsgesellschaft, die auf kleinen drahtlosen Geräten basiert. Wenn die Funktionalitäten oder Daten dieser Geräte manipuliert werden, kann der potenzielle Schaden erheblich sein. Daher ist die Sicherung der Datenübertragung zwischen diesen Geräten mithilfe von Kryptografie entscheidend. Die Sicherheit kryptografischer Algorithmen hängt jedoch von der Geheimhaltung der kryptografischen Schlüssel ab, die aufgrund der physischen Zugänglichkeit anfällig sein können. Side-Channel-Angriffe können diese Anfälligkeit ausnutzen, indem sie physikalische Parameter nutzen, die mit dem Betrieb kryptografischer Chips verbunden sind, wie z. B. die elektromagnetische Strahlung während kryptografischer Operationen.Als Antwort auf diese Herausforderung wurde in dieser Arbeit das "Leakage Source Cartography Tool" (LSC-Tool) entwickelt, um die Analyse der elektromagnetischen Strahlung in den elliptischen Kurvenkryptografie-Designs des IHP zu beschleunigen. Das LSC-Tool ermöglicht die automatisierte Auswertung von Sätzen von elektromagnetischen Traces, die aus verschiedenen Messpositionen über einen kryptografischen Chip gewonnen wurden. Die Analyse führt zu einer "Leakage Source Map" (LS-Map), die den Erfolg von elektromagnetischen Analyseangriffen an jeder Messposition darstellt. Dieses Tool bietet eine kostengünstige und schnelle Möglichkeit, die Widerstandsfähigkeit kryptografischer Designs gegen Angriffe zu bewerten, und bietet Designern Einblicke in die anfälligsten Bereiche des Chips sowie Informationen über den Leakage pro Taktzyklus.Durch den Einsatz des LSC-Tools wurde der Widerstand von zwei IHP ECC-Designs gegen horizontale differentielle elektromagnetische Analyseangriffe an 25 Messpositionen getestet. Die statistische Analyse von Traces kann mit drei Methoden durchgeführt werden: der Methode der kleinsten Quadrate, dem Difference-of-means-Test oder der Difference-of-the-mean-Methode. Die generierten LS-Maps zeigen, dass die Verwendung unterschiedlicher Methoden unterschiedliche Anzeichen für Leakagestellen liefert. Die Kombination dieser Karten erhöht die Erfolgsrate des Angriffs. Beachtenswert ist, dass im Laufe dieser Forschung klar wurde, dass das LSC-Tool angepasst werden kann, um LS-Maps für die funktionellen Blöcke von ECC-Designs zu erstellen und so die Analyse simulierter Power-Traces für das IHP ECC-Designs zu ermöglichen.
On the applicability of short key asymmetric cryptography in low power wireless sensor networks
(2016)
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.