Implementación del algoritmo AES sobre arquitectura ARM con mejoras en rendimiento y seguridad

119 Pages·2012·2.46 MB·Spanish

Departamento de Tecnología Electrónica

PROYECTO FIN DE CARRERA

Implementación del algoritmo AES
sobre arquitectura ARM con
mejoras en rendimiento y
seguridad.

Autor: Eduardo Bonilla Palencia
Tutor: Luis Mengibar Pozo

Madrid, 3 mayo de 2012
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Título: Implementación del algoritmo AES sobre arquitectura ARM con
mejoras en rendimiento y seguridad.
Autor: Eduardo Bonilla Palencia
Director: Luis Mengibar Pozo

EL TRIBUNAL

Presidente: Michael Victorio García Lorenz

Vocal: Francisco José Rodriguez Urbano

Secretario: Oscar Miguel Hurtado

Realizado el acto de defensa y lectura del Proyecto Fin de Carrera el día 11 de mayo de
2012 en Leganés, en la Escuela Politécnica Superior de la Universidad Carlos III de Madrid,
acuerda otorgarle la CALIFICACIÓN de

VOCAL

SECRETARIO PRESIDENTE
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Agradecimientos

He de expresar mi profundo agradecimiento a todas aquellas personas que han
contribuido al desarrollo de este proyecto. No puedo nombrar a todos, pero si quiero
reconocer específicamente el valor a algunos de ellos.
A mi tutor D. Luis Mengibar Pozo por su constante ayuda y todas sus aportaciones
tanto en el desarrollo del proyecto como en la redacción de esta memoria.
Gracias a mi familia por haber tenido la paciencia necesaria para que la carrera y este
proyecto hayan llegado a su fin y por haber sido un pilar en el que apoyarme.
Me gustaría agradecer a todos los miembros del Casi Jugamos Bien su compañía y sus
ratos de desahogo, gracias a ellos cualquier tarea es mucho más llevadera.
Por último agradecer a mis amigos y a todas aquellas personas que en algún
momento han oído la frase “no puedo, tengo que ponerme con el proyecto”. Gracias a
esos sacrificios este trabajo ha dado sus frutos.
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Resumen

Este Proyecto Fin de Carrera se enmarca dentro de la implementación de algoritmos
criptográficos para sistema empotrados seguros.
Concretamente, se ha desarrollado e implementado una versión mejorada del algoritmo
AES en un microcontrolador con arquitectura ARM (ARM7 LPC 2132). Los
microprocesadores con arquitectura ARM son ampliamente utilizados en dispositivos
móviles tales como teléfonos inteligentes o tabletas, debido a su bajo consumo de
potencia comparado con otras arquitecturas, y sus elevadas prestaciones. Tras un análisis
detallado del algoritmo AES se han aplicado diversas técnicas para mejorar sus
prestaciones y seguridad frente a ataques de canal lateral basados en trazas de consumo
de potencia.
Con el objetivo de reducir el tiempo de procesamiento se han aplicado técnicas
específicas para mejorar AES en arquitecturas de 32 bits. Aplicando estas técnicas se ha
conseguido reducir el tiempo de procesamiento en un más de un 60% en la operación de
cifrado y en un 90% en la operación de descifrado.
Aunque desde el punto de vista algorítmico AES es considerado como un cifrador seguro,
se ha demostrado que no es inmune frente a algunos ataques basados el análisis de
información obtenida de la propia implementación (ataques de canal lateral). Entre estos
ataques se puede mencionar el análisis de las trazas de consumo de potencia o de las
emisiones electromagnéticas del dispositivo electrónico que ejecuta el algoritmo. En este
proyecto, además de las mejoras anteriormente citadas relativas al tiempo de
procesamiento, se ha obtenido una implementación más robusta del algoritmo frente a
ataques de consumo de potencia. Esto se ha conseguido mediante el enmascaramiento
de la información procesada (masking), haciéndola de esta forma independiente del
consumo.

Palabras clave: AES, cifrado, seguridad, máscaras, eficiencia, mejora,
microprocesador, ARM7, ataques de consumo de potencia.

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ÍNDICE GENERAL

Índice general

INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ............................................................................................... 17
1.1 Introducción ....................................................................................................... 18
1.2 Objetivos ............................................................................................................ 19
ESTADO DE LA TÉCNICA ...................................................................................................... 21
2.1 Criptografía ........................................................................................................ 21
2.1.1 Criptosistema ................................................................................................. 22
2.1.2 Historia de la criptografía .............................................................................. 22
2.1.3 Fundamentos de la criptografía actual .......................................................... 23
2.1.4 Números aleatorios en criptografía ............................................................... 25
2.1.5 Criptoanálisis (Tipos de ataques) ................................................................... 25
2.1.6 Compromiso criptosistema criptoanálisis ...................................................... 26
2.2 AES...................................................................................................................... 27
2.2.1 Orígenes. El algoritmo Rijndael ..................................................................... 27
2.2.2 Matemática del algoritmo ............................................................................. 30
2.2.3 Fundamentos de diseño del algoritmo Rijndael ............................................ 33
2.2.4 Funcionamiento del algoritmo AES ................................................................ 34
2.2.5 Modos de operación ...................................................................................... 45
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ÍNDICE general

ENTORNO DE TRABAJO ....................................................................................................... 49
3.1 El microprocesador ............................................................................................ 50
3.1.1 Elección del microprocesador utilizado ......................................................... 51
3.1.2 ARM7TDMI-S LPC2132 FBD64 ....................................................................... 52
3.2 Desarrollo del programa. Keil uVision4 ............................................................. 54
3.3 Lenguaje de programación C ............................................................................. 54
3.4 Cable de comunicación serie – USB (TTL‐232R‐3v3) ......................................... 54
3.5 Ordenador personal de 32 bits con Windows XP .............................................. 55
3.6 HyperTerminal ................................................................................................... 55
IMPLEMENTACIÓN Y MEJORAS DEL ALGORITMO ....................................................................... 57
4.1 Implementación de AES en el LPC2132 ............................................................. 58
4.1.1 Funcionamiento del programa ...................................................................... 58
4.1.2 Distribución del programa ............................................................................. 63
4.1.3 Puesta en funcionamiento del programa ...................................................... 64
4.2 Mejoras de rendimiento .................................................................................... 65
4.2.1 Análisis del algoritmo AES ............................................................................. 66
4.2.2 Implementación de las mejoras ..................................................................... 69
4.2.3 Rendimiento tras la aplicación de todas las mejoras .................................... 83
4.3 Mejoras de seguridad ........................................................................................ 88
4.3.1 Obtención de números aleatorios ................................................................. 88
4.3.2 Uso de máscaras aleatorias........................................................................... 91
4.3.3 Implementación de las mejoras de seguridad ............................................... 94
4.3.4 Rendimiento tras la aplicación de las mejoras .............................................. 97
CONCLUSIONES .............................................................................................................. 101
TRABAJO FUTURO ........................................................................................................... 105
6.1 Prueba de la resistencia frente a ataques de canal lateral .............................. 105
6.2 Creación de una aplicación encriptadora de archivos ..................................... 106
6.3 Desarrollo multiplataforma ............................................................................. 106
6.4 Adaptación de las mejoras obtenidas a cualquier cifrador AES ...................... 106
PRESUPUESTO ................................................................................................................ 107
7.1 Planificación ..................................................................................................... 107
7.2 Presupuesto ..................................................................................................... 109
7.2.1 Coste del personal ....................................................................................... 109
7.2.2 Coste del hardware ...................................................................................... 110
7.2.3 Coste del software ....................................................................................... 110
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