ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ. Διπλωματική Εργασία

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΜΕΓΑΛΗΣ ΚΛΙΜΑΚΑΣ (VLSI DESIGN) ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: HΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ & ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΜΕΓΑΛΗΣ ΚΛΙΜΑΚΑΣ (VLSI DESIGN) Διπλωματική Εργασία του φοιτητη του Τμη ματος Ηλεκτρολο γων Μηχανικω ν και Τεχνολογι ας Υπολογιστω ν της Πολυτεχνικη ς Σχολη ς του Πανεπιστημι ου Πατρω ν Σταύρου Αντωνόπουλου - Νικολετάκη Αριθμός Μητρώου: 6207 Θέμα ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΛΗΡΟΥΣ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ, ΒΑΣΙΣΜΕΝΟΥ ΣΕ ΠΛΑΤΦΟΡΜΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗ - FPGA ΜΕ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ LINUX ΓΙΑ ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΚΡΥΠΤΟΓΡΑΦΙΚΩΝ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ SHA KAI AES Επιβλε πων: Επι κουρος Καθηγητη ς Γεω ργιος Θεοδωρι δης Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πα τρα, 17 Ιουλι ου 2012

2 2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιει ται ο τι η Διπλωματικη Εργασι α με θε μα ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΛΗΡΟΥΣ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ, ΒΑΣΙΣΜΕΝΟΥ ΣΕ ΠΛΑΤΦΟΡΜΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗ - FPGA ΜΕ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ LINUX ΓΙΑ ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΚΡΥΠΤΟΓΡΑΦΙΚΩΝ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ SHA KAI AES του φοιτητη του Τμη ματος Ηλεκτρολο γων Μηχανικω ν και Τεχνολογι ας Υπολογιστω ν Σταυ ρου Αντωνο πουλου - Νικολετα κη Αριθμο ς Μητρω ου: 6207 Παρουσια στηκε δημο σια και εξετα στηκε στο Τμη μα Ηλεκτρολο γων Μηχανικω ν και Τεχνολογι ας Υπολογιστω ν στις.../.../... Ο επιβλε πων Θεοδωρι δης Γεω ργιος Επι κουρος Καθηγητη ς Ο Διευθυντη ς του Τομε α Χου σος Ευθυ μιος Καθηγητη ς

3 i Eυχαριστίες Θα η θελα να ευχαριστη σω ο λους τους συναδε λφους απο το εργαστη ριο VLSI για την πολυ τιμη βοη θεια τους σε ο λη τη δια ρκεια της εκπο νησης της εργασι ας. Αυτη η εργασι α την αφιερω νω σε ο λους τους ανθρω πους που γνω ρισα και ε κανα φιλους αυτα τα πολυ ο μορφα φοιτητικα χρο νια

4 ii Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΛΗΡΟΥΣ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ, ΒΑΣΙΣΜΕΝΟΥ ΣΕ ΠΛΑΤΦΟΡΜΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗ - FPGA ΜΕ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ LINUX ΓΙΑ ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΚΡΥΠΤΟΓΡΑΦΙΚΩΝ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ SHA KAI AES Φοιτητη ς: Σταυ ρος Αντωνο πουλος - Νικολετα κης του Κων/νου Επιβλε πων: Δρ.-Μηχ. Θεοδωρι δης Γεω ργιος, Επι κουρος Καθηγητη ς Περίληψη Τα ενσωματωμε να υπολογιστικα συστη ματα ε χουν αρχι σει να χρησιμοποιου νται ολοε να και περισσο τερο τα τελευται α χρο νια, ο χι μο νο σε βιομηχανικε ς η α λλες εξεζητημε νες εφαρμογε ς αλλα και στην καθημερινο τητα μας. Αυτο οφει λεται στο γεγονο ς ο τι η συγκεκριμε νη τεχνολογι α ει ναι φτηνο τερη, ευε λικτη και λιγο τερο ενεργοβο ρος σε σχε ση με τα αντι στοιχα ηλεκτρονικα κυκλω ματα που χρησιμοποιου νταν παλιο - τερα. Η παρου σα διπλωματικη εργασι α περιγρα φει αναλυτικα τη διαδικασι α για τη σωστη ρυ θμιση του συστη ματος μας και την μεταγλω ττιση (compilation) του πυρη να του Linux προκειμε νου να τρε χει χωρι ς προβλη ματα πα νω στην FPGA πλακε τα της Xilinx, Virtex 5. Σαν επεξεργαστη επιλε ξαμε να χρησιμοποιη σουμε τον soft - core επεξεργαστη της Xilinx microblaze,προσθε τοντας σαν επιπλε ον περιφερειακα την οθο νη TFT καθω ς και την θυ ρα PS/2. Στη συνε χεια προκειμε νου να καταδει ξουμε τις δυνατο τητες που ε χει το συ στημα που χτι σαμε, εγκαταστη σαμε γραφικο περιβα λλον με ορισμε νες εφαρμογε ς και εκτελου με κρυπτογραφικε ς συναρτη σεις απο το terminal του λειτουργικου μας. Abstract The embedded computer systems have recently started to be present in a number of implementations, not only in the industrial setting but also in normal life applications. This is due to the fact that this particular technology is cheaper, more ef icient and less power - consuming than its dedicated electronic counterparts. In this diploma thesis we will study the process for the proper con iguration of our system and the compilation of Linux Kernel in order to have a completely functional embedded system on the Xilinx s FPGA board, Virtex 5. We used the Microblaze soft - core processor and we added the TFT monitor and the PS/2 port as extra components to our system. Furthermore in order to present the capabilities of our system, we added the Nano - X graphical user interface and we run cryptographic algorithms through the terminal of the operating system.

5 Περιεχόμενα 1 Εισαγωγή Embedded Systems Δομη ενσωματωμε νου συστη ματος SoC (System-on-Chip) Field Programmable Gate Array (FPGA) Open Source GNU/Linux Ιστορικα στοιχει α H λογικη του Open Source λειτουργικου συστη ματος Διανομε ς για embedded συστη ματα Κρυπτογραφία Εισαγωγικα Oρολογι α Ει δη κρυπτοσυστημα των Κλειδια Γενικα Αλγο ριθμοι κρυπτογραφι ας με κλειδι Κρυπτανα λυση Μοντε λα αξιολο γησης ασφαλει ας Εφαρμογε ς κρυπτογραφι ας Αλγο ριθμοι που χρησιμοποιη θηκαν Γενική Περιγραφή του Συστήματος Εισαγωγικα Απαιτη σεις σε hardware και software O soft-core επεξεργαστη ς Microblaze Εργαλει α που χρησιμοποιη θηκαν Δυσκολι ες που αντιμετωπι στηκαν Υλικό του συστήματος (Hardware) Προ σθεση περιφερειακω ν στη σχεδι αση Προ σθεση TFT controller Προ σθεση PS/2 controller Χειρισμο ς Διακοπω ν Συστη ματος (Interrupts) Linux Kernel Επιλογη κατα λληλης διανομη ς και βασικη σχεδι αση υλικου Ρυ θμιση Kernel: Version Διασυ νδεση Hardware - Software Δημιουργι α Ramdisk Image

6 ii Περιεχόμενα 5.5 Μεταφορα αρχει ων στην πλακε τα - Δημιουργι α NFS server Bootloader - Eκκι νηση απο τη Compact Flash Card O φα κελος Dev και η αλληλεπι δραση με τα περιφερειακα Γραφικο Περιβα λλον (GUI) Test cases - Eφαρμογές - Αποτελέσματα SHA Εισαγωγη Μαθηματικε ς συναρτη σεις - σταθερε ς του SHA Hash Computation AES Εισαγωγη Συμβα σεις Μαθηματικο υπο βαθρο Ανα λυση του αλγορι θμου AES Eπε κταση κλειδιου Αλγο ριθμος Αποκρυπτογρα φησης Eκτε λεση Εφαρμογω ν Στο Συ στημα H δημιουργι α του εκτελε σιμου αρχει ου Εκτε λεση αλγορι θμου SHA Εκτε λεση αλγορι θμου AES Βιβλιογραφία 85

7 Κατάλογος σχημάτων 1.1 Δια γραμμα αρχιτεκτονικη ς δομη ς Ε.Σ. με Virtex Pro FPGA της Xilinx Con igurable Logic Block CLB Η επι σημη mascot του λειτουργικου GNU/Linux Διαδικασι α Κρυπτογρα φησης και Αποκρυπτογρα φησης Διαδικασι α κρυπτογρα φησης και αποκρυπτογρα φησης με κλειδι Διαδικασι α κρυπτογρα φησης και αποκρυπτογρα φησης με διαφορετικα κλειδια Λειτουργι α κρυπτογραφικω ν αλγορι θμων δε σμης (block ciphers) Λειτουργι α κρυπτογραφικω ν αλγορι θμων ροη ς (stream ciphers) Λειτουργι α ασυ μμετρου αλγορι θμου H πλακε τα που χρησιμοποιη θηκε - Virtex 5 ML H λα θος σχεδι αση της συ νδεσης του Microblaze με τα περιφερειακα H λειτουργικη σχεδι αση της συ νδεσης του Microblaze με τα περιφερειακα Δια γραμμα της σχεδι ασης υλικου Σχηματικη απεικο νιση του ρο λου του initramfs στη διαδικασι α εκκι νησης H επιτυχη ς συ νδεση της πλακε τας και του host υπολογιστη με σω του nfs server Bασικη αρχιτεκτονικη δομη του Νano - X GUI To Νano - X GUI τρε χει δυ ο εφαρμογε ς Secure Hash Algoritmh Properties (SHA -2) Σχηματικη αναπαρα σταση της παραγωγη ς των W απο τον SHA O πι νακας state Η συνα ρτηση SubBytes() Ο πι νακας S-Box Η συνα ρτηση ShiftRows() H συνα ρτηση MixColumns() H συνα ρτηση AddRoundKey() Η συνα ρτηση InvShiftRows() Ο πι νακας S-Box Τα διαφορετικα αποτελε σματα που δι νει η συ νταξη της εντολη ς printf H σωστη εκτε λεση του αλγορι θμου SHA H σωστη εκτε λεση του αλγορι θμου AES

8

9 Κ 1 Εισαγωγή Contents 1.1 Embedded Systems Δομη ενσωματωμε νου συστη ματος SoC (System-on-Chip) Field Programmable Gate Array (FPGA) Open Source GNU/Linux Ιστορικα στοιχει α H λογικη του Open Source λειτουργικου συστη ματος Διανομε ς για embedded συστη ματα Embedded Systems Η εποχη μας χαρακτηρι ζεται απο την αλματω δη ανα πτυξη της τεχνολογι ας σε συνδυασμο με την προ οδο της επιστημονικη ς ε ρευνας. Το γεγονο ς αυτο ε χει α μεσες απαιτη σεις και στον τρο πο σχεδι ασης των υπολογιστικω ν συστημα των. Αυτε ς, πλε ον, εκτει νονται πε ρα απο το επι πεδο της ορθη ς και αποδοτικη ς λειτουργι ας ενο ς συστη ματος και οι σχεδιαστε ς ε χουν να αντιμετωπι σουν επιπρο σθετα ζητη ματα ο πως η λειτουργι α του συστη ματος με σα σε αυστηρου ς χρονικου ς περιορισμου ς, η χαμηλη κατανα λωση ισχυ ος, η φορητο τητα, το χαμηλο κο στος κ.α. Για αυτο το σκοπο αναζητου νται νε ες τεχνικε ς οι οποι ες χαρακτηρι ζονται απο τη μεγαλυ τερη δυνατη ευελιξι α και οι οποι ες οφει λουν να αξιοποιου ν στο ε πακρο ο λους τους διαθε σιμους πο - ρους. Σε αυτο το πλαι σιο ε καναν την εμφα νιση τους οι τεχνικε ς συσχεδι ασης υλικου - λογισμικου, καθω ς και μι α νε α κατηγορι α συστημα των, τα ενσωματωμε να συστη - ματα, που αποτελου ν μια βιω σιμη λυ ση για εφαρμογε ς με ειδικε ς απαιτη σεις. Ενσωματωμε νο συ στημα ει ναι ε να συ στημα ειδικου σκοπου το οποι ο επιτελει μι α προκαθορισμε νη εργασι α και ε χει ως βασικα χαρακτηριστικα του την υ παρξη στο βασικο σω μα της αρχιτεκτονικη ς του ενο ς τουλα χιστον μικροελεγκτη, το μικρο φυσικο του με γεθος, το χαμηλο κο στος και την ικανοποι ηση διαφο ρων ειδω ν αυστηρω ν περιορισμω ν, κυρι ως χρονικω ν. Ο πυρη νας ενο ς ενσωματωμε νου συστη ματος αποτελει ται απο ε ναν τουλα χιστον μικροεπεξεργαστη η μικροελεγκτη ο οποι ος ει ναι προγραμματισμε νος ε τσι ω στε να τρε χει μι α συγκεκριμε νη software εφαρμογη με την κατα λληλη παραμετροποι ηση. Αυτη η «εξειδι κευση» των ενσωματωμε νων συστημα - των δι νει τη δυνατο τητα στους σχεδιαστε ς τους να τα βελτιστοποιη σουν ε τσι ω στε

10 2 Κεφάλαιο 1. Εισαγωγή να ικανοποιου νται οι προδιαγραφε ς τους, ενω ταυτο χρονα να υπα ρχουν κε ρδη σε επι πεδο μεγε θους, κο στους, χρο νου εκτε λεσης η κατανα λωσης ισχυ ος. Επι σης πολλε ς φορε ς υπα ρχουν και οι λεγο μενοι real time περιορισμοι (χρονικοι περιορισμοι για εκτε λεση σε πραγματικο χρο νο). Η γενικη λοιπο ν λογικη πι σω απο αυτα τα συστη ματα ει ναι να εκτελου ν σωστα και αποδοτικα την εφαρμογη για την οποι α ε χουν σχεδιαστει. Όσον αφορα τω ρα στις αρχιτεκτονικε ς οι οποι ες χρησιμοποιου νται στο σχεδιασμο ενσωματωμε νων συστημα των, ενδεικτικα αναφε ρεται ο τι ορισμε νες απο αυτε ς ει ναι οι: ARM, MIPS, PowerPC, Μicroblaze και X86. Ση μερα τα ενσωματωμε να συστη ματα χρησιμοποιου νται σε κινητα τηλε φωνα, mp3s, πλυντη ρια, αυτοκι νητα, βιομηχανικε ς εφαρμογε ς κ.α. Η κυ ρια διαφορα ενο ς ενσωματωμε νου συστη ματος με ε ναν υπολογιστη δεν ει ναι το με γεθος, καθω ς θα μπορου σε να ει ναι ει τε απλου στερο (ε νας μικροεπεξεργαστη ς με μικρο αριθμο περιφερειακω ν) ει τε πιο πολυ πλοκο (ε να πολυ μεγα λο συ στημα ενσωματωμε νο σε αεροπλα νο). Αντι θετα η διαφορα ε γκειται στο γεγονο ς ο τι κα θε embedded συ στημα ει ναι σχεδιασμε νο για να εκτελει μι α πολυ συγκεκριμε νη και προκαθορισμε νη εργασι α Δομή ενσωματωμένου συστήματος Ένα ενσωματωμε νο συ στημα (Ε.Σ.) αποτελει μι α υπολογιστικη μονα δα με αρχε ς παρο μοιες με αυτε ς ενο ς υπολογιστικου συστη ματος, που ο πως και προαναφε ραμε ει ναι σχεδιασμε νη με τρο πο που να εκτελει μι α συγκεκριμε νη εφαρμογη. Στη βα ση αυτη ς της λογικη ς, βασικο δομικο στοιχει ο ενο ς Ε.Σ. αποτελει ε νας επεξεργαστη ς ο οποι ος ει ναι συνδεδεμε νος με σω buses με δια φορα στοιχει α μνη μης και αποθη κευσης. Τα στοιχει α αυτα υλοποιου νται σε υλικο (system-on-chip) με πολλου ς διαφορετικου ς τρο πους (Field Programmable Gate Array(FPGA), Application Speci ic Intergrated Circuit (ASIC) SoC (System-on-Chip) Ένα system-on-chip (SoC) ει ναι ε να ενσωματωμε νο κυ κλωμα το οποι ο περιλαμβα νει ο λα τα στοιχει α ενο ς υπολογιστικου η ηλεκτρονικου συστη ματος σε ε να chip. Μπορει να περιλαμβα νει ψηφιακα, αναλογικα, μεικτα ηλεκτρονικα στοιχει α και λειτουργι ες πα νω σε ε να ολοκληρωμε νο κυ κλωμα. Ένα τυπικο SoC αποτελει ται απο : Έναν μικροελεγκτη, μικροεπεξεργαστη, DSP cores. Memory blocks τα οποι α μπορει να περιλαμβα νουν μι α σειρα απο RAM, ROM, EEPROM και lash memory. Περιφερειακα τα οποι α περιλαμβα νουν counter-timers, real-time timers και power-on-reset γεννη τριες Buses για τη διασυ νδεση των παραπα νω στοιχειων Εξωτερικε ς διεπαφε ς (interfaces) τα οποι α περιλαμβα νουν και βιομηχανικα προ τυπα ο πως π.χ. USB, FireWire, Ethernet, UART.

11 1.1. Embedded Systems 3 Ρυθμιστε ς τα σης και κυκλω ματα διαχει ρισης ενε ργειας. Για να μπορει να ελεγχθει η ορθη λειτουργι α ενο ς SoC πρε πει κατα τη διαδικασι α της σχεδι αση ς του να γι νεται ε λεγχος με σω της προσομοι ωσης. Αυτο γι νεται το σο στο επι πεδο του hardware (χαρτογρα φηση του υλικου πα νω σε μια πλατφο ρμα προσομοι ωσης στη λογικη του FPGA) ο σο και στο επι πεδο του software (φο ρτωση του στα block μνη μης που παρε χει η πλατφο ρμα). Με την ολοκλη ρωση της παραπα νω διαδικασι ας προχωρα με στο debugging το σο για το hardware ο σο και για το software κομμα τι για να επιλυ σουμε τα ο ποια προβλη ματα προε κυψαν απο την προσομοι ωση. Τε λος, ο σχεδιαστη ς προχωρα ει στην τελικη υλοποίηση (κατασκευη ) του συστη - ματος. Στη δια θεση του ε χει δια φορες τεχνολογι ες στη δια θεση του. Οι δυ ο κυριο τερες ει ναι τα ASICs και τα FPGAs. Η κυ ρια διαφορα ανα μεσα στις δυ ο τεχνολογι ες ει ναι ο τι στα μεν πρω τα ο χρη στης πρω τα ολοκληρω νει τη hardware σχεδι αση και μετα το στε λνει στον κατασκευαστη ASIC προκειμε νου να τυπωθει - παραχθει, ενω στα δευ τερα δεν χρεια ζεται αυτη η διαδικασι α καθω ς ει ναι επαναπρογραμματι ζο μενα κυκλω ματα χωρι ς καμι α φυσικη παρε μβαση απο τον χρη στη. Ακολουθει εκτενη ς περιγραφη των FPGAs καθω ς ει ναι η τεχνολογι α που χρησιμοποιη θηκε στην παρου σα διπλωματικη εργασι α. Σχη μα 1.1: Δια γραμμα αρχιτεκτονικη ς δομη ς Ε.Σ. με Virtex Pro FPGA της Xilinx

12 4 Κεφάλαιο 1. Εισαγωγή Field Programmable Gate Array (FPGA) Ένα FPGA ει ναι ε να ολοκληρωμε νο κυ κλωμα το οποι ο περιλαμβα νει στοιχει α προγραμματιζο μενης λογικη ς καθω ς και προγραμματιζο μενες διασυνδε σεις. Θεωρου νται οι πλε ον κατα λληλες συσκευε ς για σχεδιασμο ψηφιακη ς λογικη ς καθω ς δι νουν την δυνατο τητα σχεδιασμου ενο ς κυκλω ματος στον υπολογιστη και με σα σε λι γα λεπτα, με την χρη ση του κατα λληλου software, την α μεση υλοποι ηση και εφαρμογη του σχεδιασμου. Τα λογικα προγραμματιζο μενα στοιχει α ενο ς FPGA καλου νται λογικα block ( logic blocks ). Αυτα μπορου ν να προγραμματιστου ν ε τσι ω στε να παρουσια ζουν την λειτουργικο τητα απλω ν, λογικω ν πυλω ν η ακο μα περισσο τερο τη λειτουργικο τητα περισσο τερο συ νθετων συνδυαστικω ν συναρτη σεων ο πως η α θροιση και η αποκωδικοποι ηση. Με το συνδυασμο τε τοιων στοιχει ων δι νεται η δυνατο τητα σε ορισμε να FPGA να υλοποιου ν στο εσωτερικο τους περισσο τερους απο ε ναν επεξεργαστε ς ο πως π.χ. τον 32-bit soft-core επεξεργαστη της Xilinx, Microblaze, o οποι ος χρησιμοποιη θηκε και στην παρου σα εργασι α. Η αρχιτεκτονική των FPGA αποτελει ται απο μια δια ταξη απο logic blocks (ονομα ζονται Con igurable Logic Block, CLB η Logic Array Block, LAB, ανα λογα με τον κατασκευαστη ) και απο τα κανα λια διασυ νδεσης. To CLB που απεικονι ζεται στο παρακα τω σχη μα αποτελει ε να τυπικο logic block και αποτελειται απο ε να τεσσα ρων εισο δων LUT (Look-Up-Table) και απο ε να D lip - lop. Σχη μα 1.2: Con igurable Logic Block CLB Ένα Look-Up-Table υλοποιει ται με την χρη ση ενο ς πολυπλε κτη ο οποι ος ε χει ως εισο δους σταθερε ς ενω οι ει σοδοι επιλογη ς του ει ναι οι ει σοδοι του LUT. Αν θεωρη - σουμε ο τι ε νας LUT ε χει i εισο δους το τε ε χει την δυνατο τητα να υλοποιη σει οποιαδη ποτε λογικη συνα ρτηση i - εισο δων. Στα FPGA χρησιμοποιου νται 4-bits LUT σε συγκεκριμε νο αριθμο ο οποι ος και καθορι ζεται απο τον κατασκευαστη. Απο το γεγονο ς αυτο συμπεραι νουμε ο τι κα θε FPGA ε χει την δυνατο τητα να κα νει mapping μο νο κυκλω ματα που καλυ πτονται απο τους υπα ρχοντες πο ρους του κα θε ολοκληρωμε νου.

13 1.2. Open Source GNU/Linux 5 Κα ποια απο τα βασικα πλεονεκτη ματα των FPGA σε σχε ση με τις συμβατικε ς υλοποιη σεις σχεδιασμου ει ναι: Δι νουν την δυνατο τητα στο χρη στη να δουλευ ει ανεξα ρτητα απο τις εταιρει ες παραγωγη ς και διανομη ς εξαρτημα των καθω ς η χρηστικο τητα τους δεν προκυ πτει απο την συσκευη αυτη καθ εαυτη αλλα απο τον τρο πο που ο κα θε σχεδιαστη ς διαμορφω νει τη λειτουργι α της(con iguration). Η διαμο ρφωση αυτη μπορει να γι νει με τε τοιο τρο πο που να ει ναι δυνατη η φορητο τητα της σχεδι ασης μεταξυ διαφορετικω ν FPGAs χωρι ς περαιτε ρω προσαρμογη. Με την αυ ξηση της χρη σης τους, η ανα πτυξη νε ων πρωτο τυπων και πρωτοποριακω ν κομματιω ν hardware αυξα νεται σημαντικα καθω ς ε να μεγα λο κομμα τι της ανα πτυξης «περνα ει» στην σχεδι αση των λεγο μενων ip cores (intellectual property). Επι της ουσι ας προ κειται για ε τοιμα κομμα τια hardware τα οποι α επιτελου ν ε ναν συγκεκριμε νο σκοπο π.χ. θυ ρα usb, UART 232, TFT και παρε χονται απο την εταιρει α που αναπτυ σσει το FPGA για καλυ τερη λειτουργι α και γρηγορο τερη ανα πτυξη του σχεδιασμου. Οι συ νθετες εργασι ες συχνα διεκπεραιω νονται με σω εφαρμογω ν λογισμικου σε συνδυασμο με επεξεργαστε ς υψηλω ν επιδο σεων. Και σε αυτη την περι πτωση τα FPGAs παρε χουν μια ανταγωνιστικη εναλλακτικη λυ ση, η οποι α με σω του κατα λληλου customization για το συγκεκριμε νο ε ργο δημιουργει ακο μα ε να επιπλε ον κε ρδος στην συνολικη απο δοση του σχεδιασμου μας. Ει ναι ιδιαι τερα κατα λληλα στις λεγο μενες time-critical εφαρμογε ς, δηλαδη σε αυτε ς που ο σωστο ς χρονισμο ς και η απο κριση του συστη ματος παι ζει τον σημαντικο τερο ρο λο. Σε αντι θεση με τις software υλοποιη σεις με χρη ση real-time λειτουργικω ν συστημα των, τα FPGAs προσφε ρουν πραγματικη (real-time) ντετερμινιστικη συμπεριφορα και μπορου ν να εκτελε σουν ακο μα και τους πιο περι πλοκους υπολογισμου ς σε πα ρα πολυ μικρο χρο νο. Στα συ γχρονα υπολογιστικα συστη ματα η ποσο τητα των δεδομε νων που πρε πει να επεξεργαστει παρα λληλα ολοε να και αυξα νεται, δει χνοντας τις αδυναμι ες των συστημα των σειριακη ς επεξεργασι ας τα οποι α δεν μπορου ν κα ποιες φορε ς να επεξεργαστου ν το συ νολο των δεδομε νων στον χρο νο που πρε πει. Τα FPGAs αποτελου ν τη λυ ση για αυτο το προ βλημα καθω ς δι νουν την δυνατο τητα παρα λληλης επεξεργασι ας δεδομε νων σε πολυ μικρο χρο νο. 1.2 Open Source GNU/Linux Ιστορικά στοιχεία Το Linux (Λι νουξ) ει ναι ε να πρωτο τυπο λειτουργικο συ στημα για ηλεκτρονικου ς υπολογιστε ς, το οποι ο τεχνικα στηρι χθηκε στον κω δικα του συστη ματος Unix. Η ανα - πτυξη του ξεκι νησε 1991 απο το Φιλανδο φοιτητη Linus Torvalds ο οποι ος ε χοντας

14 6 Κεφάλαιο 1. Εισαγωγή σαν προ τυπο το λειτουργικο συ στημα Minix (Unix-based λειτουργικο για εκπαιδευτικου ς σκοπου ς), προσπα θησε να του δω σει κα ποιες πιο εξελιγμε νες δυνατο τητες. Η πρω τη επι σημη ε κδοση του Linux κυκλοφο ρησε στις 5 Οκτωβρι ου του 1991 και ε δινε τη δυνατο τητα στο χρη στη του να ε χει γρη γορη προ σβαση στους Unix servers του πανεπιστημι ου. Ήταν διαθε σιμη σε μορφη πηγαι ου κω δικα και μπορου σε να μεταγλωττιστει απο τον κα θε χρη στη. Γι αυτο, ε γινε πο λος ε λξης για πολλου ς προγραμματιστε ς, που προσφε ρθηκαν να συνεισφε ρουν στην ανα πτυξη του νε ου πυρη να με προσθη κες και βελτιω σεις. Βε βαια ο πυρη νας δεν η ταν αρκετο ς για την ανα πτυξη ενο ς πλη ρους λειτουργικου συστη ματος καθω ς το τελευται ο απαιτει shell, βιβλιοθη κες, compilers κλπ. Για αυτο το λο γο ο Torvalds πη ρε την απο φαση να χρησιμοποιη σει μαζι με τον πυρη να που ει χε αναπτυ ξει, το λειτουργικο συ στημα GNU που ει χε ξεκινη σει να αναπτυ σσει ο Richard Stallman στο MIT η δη απο το Αυτα τα δυ ο συστατικα δημιου ργησαν ε να πανι σχυρο λειτουργικο συ στημα που προσφε ρει ασφα λεια και ταχυ τητα στον χρη στη του. Ήδη χρησιμοποιει ται σε ποσοστο πα νω απο 90% σε servers ενω τα τελευται α χρο νια αρχι ζει και αυξα νει τη χρη ση του ενα ντια στα windows και στα mac στους υπολογιστε ς προσωπικη ς χρη σης. Σχη μα 1.3: Η επι σημη mascot του λειτουργικου GNU/Linux H λογική του Open Source λειτουργικού συστήματος Με τον ο ρο λογισμικο ανοικτου κω δικα εννοει ται λογισμικο του οποι ου ο πηγαι ος κω δικας διατι θεται ελευ θερα σε αυτου ς που θε λουν να τον εξετα σουν, και/η τροποποιη σουν η χρησιμοποιη σουν σε α λλες εφαρμογε ς. Υπα ρχουν πολλε ς διαφορετικε ς α δειες χρη σης που μπορει να συνοδευ ουν το λογισμικο ανοικτου κω δικα. Σε γενικε ς γραμμε ς το λογισμικο ανοικτου κω δικα δεν σημαι νει απαραι τητα δωρεα ν λογισμικο. Μπορει π.χ. μια εταιρει α, σε ε να κομμα τι λογισμικου, να κα νει κα ποιες αλλαγε ς, να προσθε σει κα ποια υπηρεσι α(επαγγελματικη υποστη ριξη στο προι ο ν) και να το πουλη σει με κα ποιο αντι τιμο. Ο ο ρος αναφε ρεται κυρι ως στην ελευθερι α του κα θε χρη στη να εξετα σει και να χρησιμοποιη σει την γνω ση και τις δυνατο τητες που του προσφε ρει ο κω δικας προγραμματισμου. Η ανα πτυξη του Linux ει ναι ε να απο τα πιο εξε χοντα παραδει γματα του ανοιχτου και ελευ θερου λογισμικου. Ο πηγαι ος κω δικας μπορει να χρησιμοποιηθει, τροποποι-

15 1.2. Open Source GNU/Linux 7 ηθει, διανεμηθει, εμπορικα η μη, απο οπο οποιονδη ποτε με βα ση α δειες ανοιχτου λογισμικου ο πως η GNU General Public License Διανομές για embedded συστήματα Εξαιτι ας του χαμηλου κο στους και της ευκολι ας της παραμετροποι ησης, το Linux πλε ον ενσωματω νεται σε μεγα λο αριθμο εμπορικω ν συσκευω ν διαφο ρων χρη σεων. Τα πιο χαρακτηριστικα παραδει γματα ει ναι οι συσκευε ς Global Positioning System (GPS), Personal Digital Assistants(PDAs),smartphones κ.α. To λειτουργικο συ στημα android, που αποτελει το πιο γνωστο τυ πο embedded linux, στο ξεκι νημα της ανα πτυξη ς του βασιζο ταν σε μι α παραλλαγη του kernel του Linux, ενω πλε ον ενσωματω θηκε πλη ρως σε αυτο ν. Στην περι πτωση μας τω ρα θε λουμε να χρησιμοποιη σουμε μια διανομη η οποι α να ει ναι συμβατη με τον soft-core επεξεργαστη microblaze της Xilinx, στον οποι ο θα αναφερθου με εκτενω ς σε παρακα τω ενο τητα. Στο παρελθο ν τα δυ ο πιο γνωστα project για Microblaze Linux η ταν η διανομη Bluecat Linux (την οποι α υποστη ριζε και η Xilinx) και η διανομη uclinux. Ωστο σο και τα δυ ο αυτα project δεν η ταν δυνατο να χρησιμοποιηθου ν κατα τη δια ρκεια της εκπο νησης της διπλωματικη ς εργασι ας καθω ς μετατρα πηκαν σε εμπορικε ς λυ σεις για εταιρι ες embedded. Ωστο σο, η υποστη ριξη του Microblaze ενσωματω θηκε στον πυρη να του Linux τον Ιου νιο του Αυτο δι νει τη δυνατο τητα στους σχεδιαστε ς να ε χουν προ σβαση σε κα ποιο κομμα τι απο τη δουλεια που γι νεται σε αυτο ν τον τομε α αν και η γενικη α ποψη που υπα ρχει ει ναι ο τι παρε χονται μο νο τα πιο βασικα εργαλει α και ο τι ο κω δικας ει ναι ιδιαι τερα δυσνο ητος με πολλα bugs και κακο documentation, αναγκα ζοντας τους περισσο τερους χρη στες να καταφυ γουν σε ολοκληρωμε νες εμπορικε ς λυ σεις. Πε ρα απο αυτα, η Xilinx ε χει δημιουργη σει ε να open source wiki το οποι ο ει ναι αρκετα βοηθητικο για την διαδικασι α που πρε πει να ακολουθηθει ο πως επι σης και τον δικο της πυρη να (kernel source tree) o οποι ος περιε χει μια σειρα απο χρη σιμους drivers για την ανα πτυξη της σχεδι ασης χωρι ς ωστο σο να λει πουν πα λι τα bugs σε ορισμε να κομμα τια κω δικα.

16

17 Κ 2 Κρυπτογραφία Contents 2.1 Εισαγωγικά Oρολογία Ει δη κρυπτοσυστημα των Κλειδιά Γενικα Αλγόριθμοι κρυπτογραφίας με κλειδί Κρυπτανάλυση Μοντέλα αξιολόγησης ασφαλείας Εφαρμογές κρυπτογραφίας Αλγόριθμοι που χρησιμοποιήθηκαν Εισαγωγικά Ο ο ρος κρυπτογραφι α αναλυ εται στις λε ξεις κρυπτο ς + γρα φω. Ο επιστημονικο ς αυτο ς κλα δος, αποτελει κλα δο της κρυπτολογι ας και ασχολει ται με την μελε τη, την ανα πτυξη και τη χρη ση τεχνικω ν κρυπτογρα φησης και αποκρυπτογρα φησης με σκοπο την απο κρυψη του περιεχομε νου των μηνυμα των, που κα ποιος επιθυμει να στει λει. Ιστορικα μπορου με να διακρι νουμε τρεις περιο δους κρυπτογραφι ας: - Πρώτη περίοδος κρυπτογραφίας (1900 π.χ μ.χ.) Κατα την περι οδο αυτη μπορει να μην υπη ρχαν οι εξειδικευμε νες γνω σεις και πολυ πλοκες συσκευε ς, αλλα η ευφυι α και η ευρηματικο τητα των ανθρω πων περι σσευαν. Σ αυτη ν, λοιπο ν, την πρω τη περι οδο ως με θοδος κρυπτογρα φησης χρησιμοποιου νταν η αντικατα σταση γραμμα των. - Δεύτερη περίοδος κρυπτογραφίας (1900 μ.χ μ.χ.) Η χρονικη, αυτη, περι οδος ο πως βλε πουμε περιλαμβα νει τους δυ ο Παγκο σμιους Πολε μους. Όπως ει ναι, λοιπο ν, φυσικο η ασφαλη ς μετα δοση εξαιρετικα κρι σιμων πληροφοριω ν μεταξυ των χωρω ν και των στρατευμα των τους η ταν απαραι τητη. Αυτο ς ει ναι και ο κυ ριος λο γος που καθιστα αυτη ν την περι οδο το σο

18 10 Κεφάλαιο 2. Κρυπτογραφία σημαντικη, αφου το τε ξεκινα η πολυπλοκο τητα των συστημα των κρυπτογρα - φησης για την κα λυψη των αναγκω ν που αναφε ρθηκαν. - Τρίτη περίοδος κρυπτογραφίας (1950 μ.χ. Σήμερα) Σε αυτη ν την περι οδο που διανυ ουμε και στις με ρες μας παρατηρου με ο τι η κρυπτογραφι α ε χει υιοθετηθει σε πολλου ς κλα δους, ο πως τα μαθηματικα, η μικροηλεκτρονικη και τα υπολογιστικα συστη ματα. Σε αυτο το σημει ο, πρε πει να αναφε ρουμε τις τε σσερις (4) βασικε ς λειτουργι ες (αντικειμενικοι σκοποι ) της κρυπτογραφι ας: - Εμπιστευτικότητα: η πληροφορι α που μεταδι δεται ει ναι προσβα σιμη μο νο απο τον παραλη πτη και τον αποστολε α, και κανει ς α λλος δεν μπορει να αποκτη σει προ σβαση σε αυτη ν. - Ακεραιότητα: μο νο ο παραλη πτης και ο αποστολε ας μπορου ν να τροποποιη - σουν το μεταδιδο μενο μη νυμα, και ει ναι οι μο νοι που βρι σκονται στη θε ση να γνωρι ζουν αν κα ποιος τρι τος ε χει αλλοιω σει το μη νυμα αυτο. - Μη απάρνηση: ει ναι αδυ νατο ο αποστολε ας η ο παραλη πτης να αρνηθου ν ο τι ε χουν αποστει λει ε να μη νυμα, ενω στην πραγματικο τητα η ταν αυτοι που το απε στειλαν. - Πιστοποίηση: ανα πα σα στιγμη μπορου με να επιβεβαιω σουμε την πηγη και τον προορισμο ενο ς μηνυ ματος, ενω κανει ς τρι τος δεν μπορει να υιοθετη σει την ταυτο τητα κα ποιου α λλου. 2.2 Oρολογία Το μη νυμα που θε λουμε να σταλει καλει ται καθαρο κει μενο (plaintext). Για τη μετα δοση του χρησιμοποιει ται η κρυπτογρα φηση, που ως στο χο ε χει να δω σει τη δυνατο τητα σε δυ ο α τομα, τον παραλη πτη και τον αποστολε α, να επικοινωνη σουν με σω ενο ς μη ασφαλου ς διαυ λου επικοινωνι ας, με τε τοιο τρο πο ω στε κανει ς τρι τος να μην μπορει να παρεμβληθει. Το αποτε λεσμα της κρυπτογρα φησης καλει ται κρυπτογραφημε νο κει μενο (ciphertext). Σε περι πτωση, που θε λουμε να πραγματοποιη σουμε το αντι στροφο, το τε η διαδικασι α, αυτη, καλει ται αποκρυπτογρα φηση. Και οι δυ ο, αυτε ς ενε ργειες φαι νονται στο παρακα τω σχη μα. Όλες οι διαδικασι ες που χρησιμοποιου νται για την κρυπτογρα φηση και την αποκρυπτογρα φηση ενο ς μηνυ ματος αποτελου ν το κρυπτοσυ στημα. Τα στοιχει α που το απαρτι ζουν ει ναι: - Το P : με αυτο το γρα μμα συμβολι ζουμε το συ νολο ο λων των μηνυμα των, που μπορου ν να αποτελε σουν το αρχικο μη νυμα και βρι σκονται σε δυαδικη μορφη - Το C : με αυτο το γρα μμα συμβολι ζουμε το κρυπτογραφημε νο κει μενο, που προε κυψε, και βρι σκεται και αυτο σε δυαδικη μορφη.

19 2.2. Oρολογία 11 - Το E : με αυτο το γρα μμα εκφρα ζεται η συνα ρτηση κρυπτογρα φησης - Το D : με αυτο το γρα μμα εκφρα ζεται η συνα ρτηση αποκρυπτογρα φησης Οι σχε σεις που συνδε ουν αυτα τα συ μβολα ει ναι: - Για τη διαδικασι α της κρυπτογρα φησης ε χουμε: E(P ) = C - Για τη διαδικασι α της αποκρυπτογρα φησης ε χουμε: D(C) = P Ανα πα σα στιγμη (ει τε προ κειται για κρυπτογρα φηση ει τε προ κειται για αποκρυπτογρα φηση) πρε πει να μπορου με να ανακτη σουμε το αρχικο μας μη νυμα (P), για αυτο το λο γο α λλη μια σχε ση που ενω νει τα στοιχει α που αναφε ραμε παραπα νω ει ναι η: D(E(P )) = P Είδη κρυπτοσυστημάτων Τα κρυπτοσυστη ματα χωρι ζονται σε δυ ο κατηγορι ες: - τα Κλασσικα κρυπτοσυστη ματα και - τα Μοντε ρνα κρυπτοσυστη ματα. Τα κλασσικα κρυπτοσυστη ματα, χρησιμοποιου ν ως με θοδο κρυπτογρα φησης ενο ς γλωσσικου μηνυ ματος ει τε την αντικατα σταση κα ποιου γρα μματο ς του με κα - ποιο α λλο ει τε την αναδια ταξη στη σειρα - θε ση που εμφανι ζονται τα γρα μματα. Σχη μα 2.1: Διαδικασι α Κρυπτογρα φησης και Αποκρυπτογρα φησης

20 12 Κεφάλαιο 2. Κρυπτογραφία 2.3 Κλειδιά Γενικά Προκειμε νου να επιτευχθει η κρυπτογρα φηση και η αποκρυπτογρα φηση σε ε να συ στημα χρησιμοποιου με ε να αλγο ριθμο, ο οποι ος καλει ται αλγο ριθμος κρυπτογραφι ας (cipher). Παλαιο τερα βασικο με λημα αυτου του αλγορι θμου η ταν, για λο γους ασφαλει ας κυρι ως, να ει ναι γνωστο ς στα με λη που το χρησιμοποιου σαν, ενω κρυφο σε τρι τους. Κα τι τε τοιο η ταν ανε φικτο για τους παρακα τω λο γους: - Πρω τον, κα θε ομα δα ε πρεπε να ε χει το δικο της αλγο ριθμο, επομε νως απομα - κρυνση οποιουδη ποτε με λους της ση μαινε α μεση αντικατα σταση του χρησιμοποιου μενου αλγορι θμου με α λλου. - Δευ τερον, διαρροε ς της δομη ς του αλγορι θμου που χρησιμοποιου σε μια ομα δα σε τρι τους, οδηγου σε και πα λι σε αντικατα σταση του. - Τρι τον, η μη υ παρξη κα ποιου γνω στη σε κρυπτογραφικου ς αλγορι θμους σε μια ομα δα, καθιστου σε αυτη ν την ομα δα ε ρμαια σε ανθρω πους που μπορει να την προμηθευ σουν με αλγορι θμους αμφιβο λου ασφα λειας. Ήταν, λοιπο ν, αυτοι οι λο γοι που οδη γησαν στη δημιουργι α κλειδιω ν (keys), τα οποι α αποτελου ν ει σοδο στη συνα ρτηση κρυπτογρα φησης. Με την εφαρμογη των κλειδιω ν αυτω ν οι τρεις μαθηματικε ς σχε σεις που αναφε ρονται στο υποκεφα λαιο Ορολογι α, παι ρνουν την παρακα τω μορφη : E k (P ) = C D k (C) = P D k (E k (P )) = P Η χρη ση των κλειδιω ν στη διαδικασι α της κρυπτογρα φησης και της αποκρυπτογρα φησης σχηματικα αποκτα τη μορφη, που απεικονι ζεται παρακα τω. Σχη μα 2.2: Διαδικασι α κρυπτογρα φησης και αποκρυπτογρα φησης με κλειδι Σε ορισμε νους αλγορι θμους παρατηρει ται η χρη ση διαφορετικω ν κλειδιω ν για τις δυ ο διαδικασι ες. Έστω: