1. Krypto-Wochenende Kloster Bronnbach 2006 Theorie und Anwendungen von Tree Parity Machines für...

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Theorie und Theorie und AnwendungenAnwendungen von Tree Parity von Tree Parity Machines für die KryptographieMachines für die Kryptographie

Teil 2Teil 2

Theorie und Theorie und AnwendungenAnwendungen von Tree Parity von Tree Parity Machines für die KryptographieMachines für die Kryptographie

Teil 2Teil 2

TU Hamburg-Harburg TU Hamburg-Harburg Institut für RechnertechnologieInstitut für Rechnertechnologie

TU Hamburg-Harburg TU Hamburg-Harburg Institut für RechnertechnologieInstitut für Rechnertechnologie

Markus VolkmerMarkus Volkmer

[email protected]

M. VolkmerM. VolkmerM. VolkmerM. Volkmer 1. Krypto-Wochenende Kloster Bronnbach 20061. Krypto-Wochenende Kloster Bronnbach 20061. Krypto-Wochenende Kloster Bronnbach 20061. Krypto-Wochenende Kloster Bronnbach 20062222

Überblick Überblick Überblick Überblick

1. Alternative kryptographische Primitive und Technologien ?

• Embedded Security, • Ubiquitous Computing und • Beschränkte Ressourcen

2. Projekt TPMRA (TPM Rekeying Architecture) 2002-2006

• Weitere kryptographische Funktionalitäten der TPM,• Hardware-Realisierung(en) und• Anwendungen


Embedded Security, UbiComp, ...Embedded Security, UbiComp, ... Embedded Security, UbiComp, ...Embedded Security, UbiComp, ...

Kryptographische Absicherung von Kommunikation bei Kryptographische Absicherung von Kommunikation bei begrenzten Ressourcenbegrenzten Ressourcen

• Geräte im Bereich RFID, Sensornetze, Nahfeldkommunikation, ...

• z. Teil erhebliche (und gekoppelte) Begrenzungen: verfügbare Logikfläche, Rechenkapazität, Energie/Stromverbrauch, ...

• Fehlende Infrastruktur (keine CA, Trust Center, ...) benachteiligt asymmetrische Ansätze

• 8-Bit MC, RFID-Tag (~ 1000 Gatter, kein MC): nur symmetrische Algorithmen und Stromchiffren anwendbar (Paar 2003)

• Praktisch oft Abwägung Sicherheitsniveau vs. Ressourcen (Kosten)

Schlüsselaustausch kritisch und komplex !Schlüsselaustausch kritisch und komplex !


... und alternative ... und alternative kryptographische Verfahren kryptographische Verfahren

... und alternative ... und alternative kryptographische Verfahren kryptographische Verfahren

• Vermeidung komplexer Arithmetik auf großen Zahlen• Beruhen oft auf (mehrfacher) Interaktion

• Challenge-und-Response-Protokolle (Authentifizierung) unter der Verwendung von Hash-Funktionen (e.g. Universal Hashing)

• „Secret key agreement by public discussion“ (U. Maurer, S. Wolf, ...)

• Lernverfahren für die Authentifizierung (Hopper and Blum Protokoll, „Learning Parties with Noise“), A. Juels , RSA Labs (Crypto’05)

• ... TPMs ...


Das Projekt TPMRA Das Projekt TPMRA Das Projekt TPMRA Das Projekt TPMRA

Seit 2002(-2006) insgesamt 11 Arbeiten (8 Studenten),

davon 3 Diplomarbeiten

„Implementierung und Untersuchung von echten Zufallszahlengeneratoren

auf FPGAs für Eingebettete Systeme“

(Studienarbeit Karl Tyss)

„Analysis of a Tree Parity Machine Stream Cipher“

(Studienarbeit Ingo Kopitzke)

Anwendungsbetonte Arbeiten im Rahmen der Forschung

S. Wallner / M. Volkmer


TPMRA ASIC-Implementation (IP-Core)TPMRA ASIC-Implementation (IP-Core)TPMRA ASIC-Implementation (IP-Core)TPMRA ASIC-Implementation (IP-Core)

Tree Parity Machine Rekeying Architectures (TPMRA)Volkmer / Wallner 2005

• IP-Core Design

• Einfache und standardisierte Schnittstelle mit umgebendem System

• Niedrige HW-Komplexität, um 0.1 mm² Logik-Fläche

• Voll parametrisierbare HW-Struktur

• Bit-Paket-Lernen (Reduktion des Kommunikationsaufwandes)

„Tree Parity Machine Rekeying Architectures - Designkriterien und Realisierung“

(Studienarbeit Sebastian Staiger)


TPMRA-Prototyp / FPGA-Demo-SystemTPMRA-Prototyp / FPGA-Demo-SystemTPMRA-Prototyp / FPGA-Demo-SystemTPMRA-Prototyp / FPGA-Demo-System

„Hardware-Realisierung eines Schlüsselaustauschverfahrens

mittels Tree Parity Machines“

(Studienarbeit Sascha Mühlbach)


TPMRA-Prototyp2 / TPMRA-Prototyp2 / WLAN-Demo-SystemWLAN-Demo-System

TPMRA-Prototyp2 / TPMRA-Prototyp2 / WLAN-Demo-SystemWLAN-Demo-System

„Realisierung eines Embedded Systems

zur Integration eines Schlüsselaustauschverfahrens

mittels Tree Parity Machines in Wireless LAN“

(Diplomarbeit Nazita Behroozi, 2. Krypto-Tag )


Synchrone TPMs haben identische interne Zustände Synchrone TPMs haben identische interne Zustände und bleiben synchron und bleiben synchron

• Betrachte synchrone TPMs als eine einzige TPM • Join- / Leave-Operation erfordert neuen Schlüssel • Ein Gruppensender, alle anderen i.d. Gruppe empfangen nur • Sequentielle oder parallele Interaktionsprozesse

• Sicherheit skaliert umgekehrt proportional zur Anzahl der Parteien

Gemeinsamer Schlüssel für mehr als Gemeinsamer Schlüssel für mehr als zwei Parteien / Gruppenkommunikation zwei Parteien / Gruppenkommunikation

Gemeinsamer Schlüssel für mehr als Gemeinsamer Schlüssel für mehr als zwei Parteien / Gruppenkommunikation zwei Parteien / Gruppenkommunikation

TPM 1 TPM 2 TPM 3

TPM 2 TPM 1

TPM 3

TPM 4


Gruppenkommunikation Gruppenkommunikation am Beispiel von Laptops am Beispiel von Laptops

und WLAN Ad-hoc Modusund WLAN Ad-hoc Modus

Gruppenkommunikation Gruppenkommunikation am Beispiel von Laptops am Beispiel von Laptops

und WLAN Ad-hoc Modusund WLAN Ad-hoc Modus

“Secure Group Communication in WLAN Ad-Hoc Networks

with Tree Parity Machines“

(Diplomarbeit Björn Saballus, 2. Krypto-Tag)


Trajektorie und TPM-StromchiffreTrajektorie und TPM-StromchiffreTrajektorie und TPM-StromchiffreTrajektorie und TPM-Stromchiffre

TPM im „Trajektorie-TPM im „Trajektorie-Modus“ ist eine synchrone Modus“ ist eine synchrone

Stromchiffre !Stromchiffre !

• K dynamische nicht-lineare Filtergeneratoren• Ausgaben = Schlüsselstrom• Initialgewichte = Schlüssel• LFSR Initialwert = IV + Identifikationsmechanismus• OFB und CFB (Zustandsänderung)

)(tp )(tc


Trajektorie / (Voll-)Parallele TPMRA / Trajektorie / (Voll-)Parallele TPMRA / HochgeschwindigkeitsbusseHochgeschwindigkeitsbusse

Trajektorie / (Voll-)Parallele TPMRA / Trajektorie / (Voll-)Parallele TPMRA / HochgeschwindigkeitsbusseHochgeschwindigkeitsbusse

„Absicherung von Hochgeschwindigkeitsbussen mit TPMRAs

am Beispiel des PCI Local Bus“

(Studienarbeit Michael Wild)

• Software (PC) / Hardware (FPGA Board mit PCI)• Trajektorie • Neuer 132-bit Schlüssel for jeden PCI Burst-Zugriff


Identifikation via TPM InteraktionIdentifikation via TPM InteraktionIdentifikation via TPM InteraktionIdentifikation via TPM Interaktion Inhärente Identifikation (entity authentication): Inhärente Identifikation (entity authentication): Nur gemeinsame identische Eingaben führen zur Nur gemeinsame identische Eingaben führen zur

SynchronisationSynchronisation• Ziel: lerne die Ausgaben zu den gemeinsamen Eingaben

• Unmöglich bei unterschiedlichen Eingaben

• Gewichtsänderung in unterschiedliche Richtung

• Nutze Initialwert des deterministischen PZZG zur Authentifizierung

• Wehrt MITM-Angriff und Angriffe mit TPMs abIterationen

Ab

sta

nd

„Authentication within Tree Parity Machine Rekeying“

(Studienarbeit André Schaumburg, 1.Krypto-Tag)


Authentifizierung, Multi-Party und Authentifizierung, Multi-Party und Stromchiffre im ARM-BussystemStromchiffre im ARM-Bussystem

Authentifizierung, Multi-Party und Authentifizierung, Multi-Party und Stromchiffre im ARM-BussystemStromchiffre im ARM-Bussystem

„Authentifizierte und verschlüsselte Kommunikation

in Chip-to-Chip Bussystemen mittels Tree Parity Machines

am Beispiel der AMBA Busspezifikation“

(Diplomarbeit, Sascha Mühlbach, 4. Krypto-Tag)


Symmetrischer Schlüsselaustausch Symmetrischer Schlüsselaustausch mit Tree Parity Machinesmit Tree Parity Machines

Symmetrischer Schlüsselaustausch Symmetrischer Schlüsselaustausch mit Tree Parity Machinesmit Tree Parity Machines

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