Elliptic curve cryptography in hardware for secure systems: a multi-use reconfigurable soft IP

Abstract

In the last years, the industry has developed and put in the market a plethora of electronic devices that are able to access the Internet and other networks. This is making easier to send, receive, share and store all types of information at any moment, from anywhere. Thus, there is a huge amount of important information crossing the Internet and there are malicious entities and/or individuals trying to capture this information to steal or exploit it in order to obtain financial or strategic gains or to cause damage to other people. There are many ways to protect such information, the most relevant of which is the use of cryptog-raphy. There are many cryptographic algorithms in use nowadays, such as DES, 3DES, AES and RSA, which are usually implemented in software. This leads to low performance, and low security levels for several applications. Therefore, it is necessary to create solutions that provide higher security levels and that at the same time improve cryptography performance. This work proposes and presents a secure communication system that can be inte-grated to embedded devices or computers. The proposed secure communication system developed in this work is based on Elliptic Curve Cryptography (ECC), which is a cryptography scheme that has being studied and improved over the last decade by many researchers and is indicated as one of the most secure among cryptographic algorithms. This work describes in detail the implementation of ECC operations in hardware, trying to provide higher performance than most works available in the literature. Another goal of the work is that even critical embedded systems could use the proposed scheme to build a secure communication system. This work capitalizes on the state of the art in ECC operations and implements these in hardware. The result is a reconfigurable soft IP core for ECC, which can be synthesized for either FPGAs or ASICs. The validation of the soft core comprises the development of a complete communication system that can create a secure communication link between two computers or similar devices using ECC to encrypt all exchanged information. The soft IP core for ECC operations supports any of the five Koblitz curves recommended by the National Institute of Standards and Technology (NIST) and the Standards for Efficient Cryptography Group (SECG). However, the IP core can also be easily adapted to support other elliptic curves. An overall secure communication system was developed, implemented and prototyped in a development board with a Xilinx Virtex 5 FPGA. Furthermore, the work demonstrates the advantages and gains in performance when compared to software implementations of similar systems.

Nos últimos anos, a indústria tem desenvolvido e colocado no mercado uma grande quantidade de dispositivos que são capazes de acessar a Internet e outras redes. Isso está tornando mais fácil enviar, receber, compartilhar e guardar todo tipo de informação a qualquer momento de qualquer lugar. Assim, há uma enorme quantidade de informações importantes passando pela Internet, mas há também entidades e/ou indivíduos maliciosos tentando capturar essas informações para roubar ou explorar isso visando obter ganhos financeiros ou estratégicos, ou causar algum dano a outras pessoas. Apesar de existir muitas maneiras de proteger tais informações, a mais relevante é o uso de criptografia. Há muitos algoritmos criptográficos em uso atualmente, tais como DES, 3DES, AES e RSA, que normalmente são implementados em software. Eles atingem baixo desempenho e proveem baixos níveis de segurança para muitas aplicações. Portanto, é necessário criar so-luções que disponibilizem maiores níveis de segurança e ao mesmo tempo melhorem o desempenho de criptografar. Este trabalho propõe um sistema de comunicação seguro que pode ser integrado a dispositivos embarcados ou computadores. O sistema de comunicação seguro proposto e desenvolvido neste trabalho é baseado em Criptografia por Curvas Elípticas (ECC), um esquema de criptografia que tem sido estudado e melhorado na última década por muitos pesquisadores, e é indicado como um dos algoritmos de criptografia dos mais seguros. Este trabalho descreve em detalhes a implementação das operações do ECC em hardware, com alvo em prover maior desempenho do que a maioria dos trabalhos disponíveis na literatura. Outro objetivo do trabalho é que mesmo sistemas embarcados críti-cos possam usar o esquema proposto para criar sistemas de comunicação seguros. Este trabalho utilizou o estado da arte operações de ECC para gerar implementações em hardware. O resultado é um núcleo de propriedade intelectual (IP) flexível para ECC que pode ser sintetizado para FPGAs ou ASICs.A validação deste núcleo incluiu o desenvolvimento de um sistema de comunicação completo que pode criar um enlace de comunicação segura entre dois computadores ou dispositivos similares usando ECC para criptografar todas as informações trocadas. O núcleo IP de ECC dá suporte a qualquer uma das 5 curvas elípticas de Koblitz recomendadas pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e aos Padrões para Grupo de Criptografia Eficiente (SECG). Entretanto, o núcleo IP pode também ser facilmente adaptado para dar suporte a outras curvas elípticas. Um sis-tema de comunicação segura foi desenvolvido, implementado e prototipado em uma placa de desenvolvimento com FPGA Virtex 5 da Xilinx. Além disso, o trabalho demonstra as vantagens e os ganhos de desempenho obtidos quando comparado com implementações em software de sistemas similares.