Název Studentské Práce
Total Page:16
File Type:pdf, Size:1020Kb
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií DIZERTAČNÍ PRÁCE Brno, 2017 Ing. Radek Fujdiak VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ DEPARTMENT OF TELECOMMUNICATIONS ANALÝZA A OPTIMALIZACE DATOVÉ KOMUNIKACE PRO TELEMETRICKÉ SYSTÉMY V ENERGETICE ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF DATA COMMUNICATION FOR TELEMETRIC SYSTEMS IN ENERGY DIZERTAČNÍ PRÁCE DOCTORAL THESIS AUTOR PRÁCE Ing. Radek Fujdiak AUTHOR ŠKOLITEL prof. Ing. Jiří Mišurec, CSc. SUPERVISOR BRNO 2017 ABSTRAKT Dizertační práce se zabývá výzkumem v oblasti optimalizace telemetrických systémů v energetice z pohledu informační bezpečnosti. Práce pojednává o současných problémech informační bezpečnosti, její definici a i o metodách, které vedou k naplnění bezpečnostních principů, a soustředí se zejména na oblast, kde jsou využívány zařízení s omezenými zdroji To z toho důvodu, že zařízení s limitovanými zdroji, tj. operační paměť, omezený přístup k elektrické energii, výkon, aj., představují bezpečnostní rizika, která mohou ovlivňovat následně celou energetickou infrastrukturu v případě nasazení technologií v konceptu inteligentních sítí. Jsou přiblíženy dnešní vědecké výzvy v této oblasti, objasněna terminologie i legislativa, která je pro tuto oblast také velice zásadní. Hlavní část dizertační práce je následně věnována výzkumu vlastního hybridního řešení, kryptosystému. Jedná se o řešení, které nenaplňuje pouze jeden bezpečnostní princip (např. pouze autentičnost), nýbrž o ře- šení, které nabízí všechny požadované principy informační bezpečnosti v energetice. Je provedena hloubková analýza dnešních řešení, které jsou následně evaluovány vlastními měřeními i pomocí současné aktuální literatury. Následně je proveden návrh kombinací symetrických a asymetrických kryptografických algoritmů, tak aby byla zaručena efektivita výsledného systému, ale také zachována jeho komplexnost systému. Jedná se o kombinaci symetrických blokových algoritmů elektronické kódové knihy, zajišťující autentizaci a inte- gritu pomocí náhodných klíčů, řetězení šifrovaného textu zajišťující důvěrnost, společně s algoritmem Diffieho-Hellmana nad eliptickými křivkami zajišťující bezpečnou distribuci a výměnu symetrických tajných klíčů. V neposlední řadě je přiblížen provedený vlastní vývoj a optimalizace hybridního krypto- systému. Je představeno vlastní řešení pro reprezentaci velkých čísel a modulární algebru v zařízení s limitovanými zdroji, které je ověřeno experimentálními měřeními. Dále je rozebrán vlastní návrh, validace a optimalizace řešení náhodných hardwarových generátorů (založených na efektivním principu kvantizační chyby a protichůdných oscilátorů). Je také řešena navržená část symetrické kryptografie, kde je využito dvou dostupných knihoven, které jsou následně znatelně optimalizovány. V neposlední řadě je představen provedený rozsáhlý výzkum kryptografie eliptických křivek a možností distribuce symetrického klíče. Jsou implementovány algoritmy pro výpočty s body eliptických křivek nad polem s prvo- číselným řádem i nad polem řádu 2. Realizace pak zahrnovala více než 50 eliptických křivek různých standardů, kde největším úspěchem jsou křivky nad polem prvočísel o řádu p = 256. Tyto křivky v době řešení nebyly na takto hardwarových platformách řešeny. Nakonec jsou představeny originální výsledky výzkumu, který se zabýval vhodnou volbou křivek a studií jejich doménových parametrů z pohledu vztahu velikosti k rychlosti operací nad křivkou. KLÍČOVÁ SLOVA Telemetrické systémy, optimalizace, senzorické sítě, inteligentní sítě, internet věcí, senzory, informační bezpečnost, kryptografie, kryptografické algoritmy, kryptosystém, důvěrnost, integrita, autentičnost, čerstvost, nepopiratelnost. ABSTRACT The dissertation thesis focuses on research in the optimisation of telemetry systems in energy from the perspective of information security. The thesis deals with nowadays challenges in information security, its definition as well as its methods. The main focus is on the area, where devices with limited resources such as memory or computational power are used. These devices pose security risks that may affect the entire smart grid infrastructure. Nowadays research challenges terminology and legislative, which is crucial in the defined area, are brought closer. The main part of this thesis is devoted tothe research of the author’s own hybrid solution – the hybrid cryptosystem. The solution fulfils all necessary principles of information security – authenticity, confidentiality, integrity and data freshness. An analysis of today’s solutions is provided together with a complex evaluation based on own experimental measurements and available literature sources. Subsequently, a combination of symmetric and asymmetric cryptography algorithms is designed that provides both high efficiency and complexity. It is a combination of the symmetric block cyphers Electronic Code Book, which provides authenticity and integrity by using random keys, Cipher Block Chaining, which provided confidentiality, and the asymmetric algorithm of Diffie-Hellman over Elliptic Curves, which provides key agreement scheme over an unsecured channel. Further, the development and optimisation of the hybrid cryptosystem are brought in light. The proprietary solution of large number representation and modular algebra in a device with limited resources is presented and validated via own experimental measurements. Moreover, the own design is analysed and the two proposed hardware generators (based on efficient methods of quantization error and opposing oscillators) are evaluated and optimised. Additionally, the symmetric part of the cryptosystem is also investigated, where two main solutions are highly optimised. Last but not least, deep research on the cryptography of elliptic curves and the key distribution scheme is presented. Two main curve types are dealt with – over a finite field and over a field of characteristic two. The implementation included morethan50 elliptic curves of different standards. The implementation of the curves of order p=256 has the highest impact. These curves were not addressed on such devices at the time of solution. Finally, the original research results of possible speed optimisation via using special elliptic curves are introduced. The relationship between curve domain parameters and point computational efficiency is studied. This last part brings also promising results for the field of effective cryptographic algorithm – the lightweight cryptography. KEYWORDS Telemetry system, Optimisation, Sensoric networks, Smart Grid, Internet of Things, Sensors, Information security, Cryptography, Cryptography algorithms, Cryptosystem, Confidentiality, Integrity, Authentication, Data freshness, Non-Repudiation FUJDIAK, Radek. Název studentské práce. Brno, Rok, 146 s. Dizertační práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav telekomunikací. Vedoucí práce: prof. Ing. Jiří Mišurec, CSc. Vysázeno pomocí balíčku thesis verze 2.63; http://latex.feec.vutbr.cz PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že svou dizertační práci na téma „Název studentské práce“ jsem vypracoval(a) samostatně pod vedením školitele dizertační práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor(ka) uvedené dizertační práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvoře- ním této dizertační práce jsem neporušil(a) autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl(a) nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a/nebo majetkových a jsem si plně vědom(a) následků porušení ustanovení S 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon), ve znění pozdějších předpisů, včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č. 40/2009 Sb. Brno . ................................... podpis autora(-ky) PODĚKOVÁNÍ Rád bych poděkoval svému vedoucímu Prof. Ing. Jiřímu Mišurcovi, CSc., za jeho smysl pro humor, odborné vedení, konzultace, trpělivost a hlavně za to, že mne nenechal spát a studovat ve stanu. Dále bych také rád také tímto poděkoval mému kolegovi a kamarádovi doc. Ing. Petru Mlýnkovi, Ph.D., za jeho neskonalou pomoc při řešení všedních i nevšedních problémů a za to, že mne nenechal nikdy topit. V neposlední řadě velké díky patří také Ing. Pavlovi Maškovi, mému dobrému příteli a skvělému kolegovi, za jeho inspiraci, soudržnost, ale také neskonalou a všudy přítomnou pomoc. Mé díky však patří také všem mým kolegům, přátelům a blízkým, kteří ve mne věřili a stáli při mne v těch dobrých i horších chvílích. Brno . ................................... podpis autora(-ky) Faculty of Electrical Engineering and Communication Brno University of Technology Purkynova 118, CZ-61200 Brno Czech Republic http://www.six.feec.vutbr.cz PODĚKOVÁNÍ Výzkum popsaný v této dizertační práci byl realizován v laboratořích podpořených z projektu SIX; registrační číslo CZ.1.05/2.1.00/03.0072, operační program Výzkum a vývoj pro inovace. Brno . ................................... podpis autora(-ky) Mým rodičům, mé sestře a Ině, za jejich rady, trpělivost a neskonalou důvěru i podporu, protože oni tu vždy pro mne byli ... OBSAH Úvod 1 1 Oblast zájmu a motivace práce 4 1.1 Přehled problematiky