Creating an integrated secure microcontroller using hardware secure elements. Using various algorithms for quality comparison. Testing new algorithms.

Abstract

The rapidly increasing field of lattice-based cryptography is one of the effective tools in quantum computing meant to replace the existing public-key systems. The mechanism FrodoKEM has been customized as an alternative encapsulation mechanism recently, which in fact is submitted to the post-quantum NIST process for standardization. In this setting, security is conditional on utilizing standard lattices and learning through tracing-correcting errors. In any case, the excessive number of parameters makes it difficult for the embedded systems to function properly. This approach based on the FrodoKEM scheme entails parameters allowing for its integration into smaller-sized devices through the means of basic lattice-based cryptography. This thesis proposes harnessing two low-cost microcontrollers, namely STM32L552 and STM32WL55JC1, fostering better performance for post-quantum cryptography on smaller-sized devices. For the needs of the implementation of the scheme, STM32L552 required two different implementations, one involving usage of 1-way cache and the other the usage of 2-way cache; as for STM32WL55JC1, due to the small storage capacity of the RAM, Flash was used to reduce RAM space. Thanks to the versatility of WLSSJC1 showcasing connectability to a LoRa Network, which is based on wireless technology, the findings of this process can prove valuable for an IoT system.

Στην διατριβη περιγραφεται η ενσωματωση ενος κρυπτο αλγοριθμου του FrodoKEM σε δυο μικροελεκτες της εταιριας STM32. Ο μηχανισμός FrodoKEM έχει προσαρμοστεί πρόσφατα ως εναλλακτικός μηχανισμός ενθυλάκωσης, ο οποίος μάλιστα υποβάλλεται στη μετα-κβαντική διαδικασία NIST για τυποποίηση. Επισης ο αλγοριθμος FrodoKEM εχει αναπτυχθει με τον τομέα της κρυπτογραφίας με βάση το πλέγμα είναι ένα από τα αποτελεσματικά εργαλεία της κβαντικής πληροφορικής που προορίζεται να αντικαταστήσει τα υπάρχοντα συστήματα δημόσιου κλειδιού. Σε κάθε περίπτωση, ο υπερβολικός αριθμός παραμέτρων δυσχεραίνει τη σωστή λειτουργία των ενσωματωμένων συστημάτων. Αυτή η προσέγγιση που βασίζεται στο σύστημα FrodoKEM περιλαμβάνει παραμέτρους που επιτρέπουν την ενσωμάτωσή του σε συσκευές μικρότερου μεγέθους μέσω της βασικής κρυπτογραφίας με βάση το πλέγμα. Η παρούσα διατριβή προτείνει την αξιοποίηση δύο μικροελεγκτών χαμηλού κόστους, συγκεκριμένα των STM32L552 και STM32WL55JC1, προωθώντας καλύτερες επιδόσεις για τη μετα-κβαντική κρυπτογραφία σε συσκευές μικρότερου μεγέθους. Για τις ανάγκες της υλοποίησης του σχήματος, ο STM32L552 απαιτούσε δύο διαφορετικούς ελέγχους, μια για 1-way κρυφή μνήμη και μια για 2-way κρυφή μνήμη, ενώ όσον αφορά τον STM32WL55JC1 λόγω της μικρής αποθηκευτικής χωρητικότητας της SRAM, χρησιμοποιήθηκε η Flash μνήμη για τη μείωση του χώρου της SRAM. Χάρη στην ευελιξία του WLSSJC1 που επιδεικνύει συνδεσιμότητα σε ένα δίκτυο LoRa, το οποίο βασίζεται στην ασύρματη τεχνολογία, τα ευρήματα αυτής της διαδικασίας μπορούν να αποδειχθούν πολύτιμα για ένα σύστημα διαχείρισης δεδομένων IoT.