Υλοποίηση σε υλικό αλγορίθμου κρυπτογραφίας για κβαντικούς υπολογιστές

datacite.contributor.RelatedPersonΘεοδωρίδης, Γεώργιος
datacite.contributor.RelatedPersonΜπίρμπας, Μιχαήλ
datacite.contributor.SupervisorΠαλιουράς, Βασίλειος
dc.contributor.authorΤζοβάρας, Γεώργιος
dc.contributor.otherTzovaras, Georgios
dc.date.accessioned2024-07-10T09:58:23Z
dc.date.available2024-07-10T09:58:23Z
dc.date.issued2024-07-09
dc.degreegraduateThesis
dc.description.abstractΣτις μέρες μας, με την κατά κόρον χρήση υπολογιστικών συστημάτων σε διάφορες μορφές η κρυπτογραφία είναι απαραίτητη για να διασφαλίζει την ασφάλεια της επικοινωνίας και των δεδομένων μας. Παίζει καθοριστικό ρόλο για την ασφάλεια των πληροφοριών και βασίζεται σε αλγορίθμους κρυπτογραφίας που στηρίζονται σε δύσκολα μαθηματικά και υπολογιστικά ανέφικτα προβλήματα. Τα δύσκολα αυτά προβλήματα όμως θα επιλύονται εύκολα από τους κβαντικούς υπολογιστές όταν αυτοί διαδοθούν ευρέως. Συνεπώς, τότε πολλά από τα υπάρχοντα και ευρέως χρησιμοποιούμενα κρυπτοσυστήματα θα γίνουν ευάλωτα και εντελώς άχρηστα καθώς θα μπορούν πανεύκολα να «σπάσουν». Στην προσπάθεια αντιμετώπισης του προβλήματος και διαφύλαξης της ασφάλειας των δεδομένων, οι ερευνητές και οι επιστήμονες ξεκίνησαν να αναπτύσουν αλγορίθμους μετακβαντικής κρυπτογραφίας, αξιοποιώντας ακόμη δυσκολότερα προβλήματα που μπορούν να είναι άτρωτα από επιθέσεις κβαντικών υπολογιστών. Το 2015 το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας των Η.Π.Α. (NIST) ξεκίνησε έναν δημόσιο διαγωνισμό αξιολόγησης και προτυποποίησης αλγορίθμων δημόσιου κλειδιού ανθεκτικών στην κβαντική τεχνολογία. Μετά από τρεις γύρους, το NIST κατέληξε σε τέσσερις αλγορίθμους ΚΕΜ και πλέον τους αξιολογεί βάσει του κόστους και της απόδοσης. Σύμφωνα με το Ινστιτούτο, οι αλγόριθμοι με βάση το πλέγμα είναι οι πιο υποσχόμενοι. Το 2022 ο αλγόριθμος CRYSTALS-Kyber επιλέχθηκε μεταξύ των τεσσάρων φιναλίστ και αναμένετε να προτυποποιηθεί τα προσεχή χρόνια. Τα κλειδιά του αλγορίθμου είναι μικρά και ανταλλάσσοντια εύκολα και είναι ιδιαίτερα γρήγορος. Ένα από τα θεμελιώδη στοιχεία ενός οποιουδήποτε αλγορίθμου μετά-κβαντικής κρυπτογραφίας είναι αυτό που αφορά τα πρωτόγονα PQC. Αυτά, εγγυώνται την ασφάλεια του αλγορίθμου εκτελώντας μια συγκεκριμένη διαδικασία με απίστευτη ακρίβεια και ορθότητα. Η υλοποίηση μιας αρχιτεκτονικής που υλοποιεί αυτά τα πρωτόγονα μπορεί να μειώσει σημαντικά την κατάληχη πόρων υλικού, επιτυγχάνοντας μια μονάδα με καλύτερη απόδοση που συνεπώς θα βελτιώσει τη συνολική απόδοση του αλγορίθμου. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, παρουσιάζουμε μια ειδική υλοποίησης σε υλικό του υψηλότερου σε κατανάλωση στοιχείου του αλγορίθμου CRYSTALS-Kyber. Η αρχιτεκτονική υλοποιήθηκε για την έκδοση Kyber-768 (Επίπεδο ασφαλείας ΙΙΙ) και υλοποιεί όλα τα πρωτόγονα SHA-3 που απαιτεί ο αλγόριθμος.
dc.description.translatedabstractNowadays, with the widespread use of computer systems in various forms, cryptography is essential to ensure the security of our communication and data. It plays a crucial role in the security of information and is based on cryptographic algorithms that rely on difficult mathematical and computationally infeasible problems. But these difficult problems will be easily solved by quantum computers when they become widespread. Consequently, many of the existing and widely used cryptosystems will then become vulnerable and completely useless as they can be easily broken. In an effort to address this problem and preserve data security, researchers and scientists have started to develop post-quantum cryptography algorithms, exploiting even harder problems that can be invulnerable to quantum computer attacks. In 2015, the US National Institute of Standards and Technology (NIST) launched a public competition to evaluate and standardise quantum-resilient public key algorithms. After three rounds, NIST settled on four KEM algorithms and is now evaluating them on the basis of cost and performance. According to the Institute, the grid- based algorithms are the most promising. In 2022 the CRYSTALS-Kyber algorithm was selected among the four finalists and is expected to be standardised in the coming years. The keys of the algorithm are small and easily exchangeable and are particularly fast. One of the fundamental elements of any post-quantum cryptography algorithm is that it involves PQC primitives. These, guarantee the security of the algorithm by executing a specific procedure with incredible accuracy and correctness. Implementing an architecture that implements these primitives can significantly reduce hardware resource sprawl, achieving a better performing module that will therefore improve the overall performance of the algorithm. In this thesis, we present a hardware implementation of the highest-consumption component of the CRYSTALS-Kyber algorithm. The architecture was implemented for Kyber-768 (Security Level III) and implements all SHA-3 primitives required by the algorithm.
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/10889/27506
dc.language.isoel
dc.rightsCC0 1.0 Universalen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/
dc.subjectΚρυπτογραφία
dc.subjectΟλοκληρωμένα κυκλώματα
dc.subjectΚβαντικοί υπολογιστές
dc.subject.alternativeCryptography
dc.subject.alternativeHarware design
dc.subject.alternativeQuantum computers
dc.titleΥλοποίηση σε υλικό αλγορίθμου κρυπτογραφίας για κβαντικούς υπολογιστές
dc.title.alternativeHardware implementation of a post quantum cryptography algorithm

Files

Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
Loading...
Thumbnail Image
Name:
Hardware_Implementation_of_a_Post_Quantum_Cryptography_Algorithm_Tzovaras.pdf
Size:
2.78 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
License bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
license.txt
Size:
5.02 KB
Format:
Item-specific license agreed upon to submission
Description: