Cryptographic Primitives in RFID Systems

Spenger, Gabriele

The growth of electronic communication over the last decades and the development of technologies like Radio Frequency Identification RFID (or more general the Internet of Things) has led to a large interest in data security in all kinds of devices. Sending sensitive information over communication channels that are accessible by attackers, e.g. the Internet, or the air in case of radio transmission, requires measures to secure the confidentiality as well as the integrity of the transmitted data. In order to achieve this, cryptographic protocols have been developed and standardized that make use of cryptographic base functions like symmetric or asymmetric encryption, hashing and pseudo-random number generators (PRNGs). Because of the limitations in cost, energy consumption and computational performance for devices like RFID transponders, low-complexity cryptographic functions are of high interest for applications running on these devices. The security of cryptographic functions such as pseudo-random number generators (PRNGs) can usually not be mathematically proven. Instead, statistical properties of the algorithms are commonly evaluated using standardized test batteries on a limited number of output values. Additionally, susceptibility against known attacks can be investigated. This thesis demonstrates that valuable additional information about the properties of the algorithm can be gathered by analyzing the state space structure. Analysis results for di?erent cryptographic primitives including commonly used algorithms as well as recent proposals and chaotic functions are presented. Furthermore, several novel low-complexity approaches are introduced that im- prove the state space structure of such algorithms significantly. The improvement is demonstrated by applying the approaches to different algorithms and presenting the analysis results. Further evaluation of the modified algorithms is performed by statistical analysis using the commonly used standardized test batteries.

Die zunehmende Verbreitung elektronischer Kommunikation in den letzten Jahrzehnten und die Entwicklung von Technologien wie z. B. der Radiofrequenz-Identifikation RFID (oder allgemeiner des Internets der Dinge) hat zu einem erheblichen Interesse an Datensicherheit in allen Bereichen geführt. Das Übertragen sensibler Informationen über Kommunikationskanäle, die Angriffen ausgesetzt sein können, wie z. B. dem Internet oder der Luft im Falle von Funkübertragung, erfordert Maßnahmen, um die Vertraulichkeit und Integrität der übertragenen Daten zu gewährleisten. Um dies zu erreichen, wurden kryptographische Protokolle entwickelt und standardisiert, die auf kryptographischen Basisfunktionen wie z. B. symmetrischer und asymmetrischer Verschlüsselung, Hashing und Pseudozufallszahlengeneratoren basieren. Die Einschränkungen der Geräte wie z.B. RFID Transpondern bzgl. Preis, Stromverbrauch und Rechenleistung führen in Anwendungen auf diesen Geräten zu einem starken Interesse an kryptographischen Funktionen mit geringer Komplexität. Die Sicherheit kryptographischer Funktionen wie beispielsweise Pseudozufallszahlengeneratoren kann im Allgemeinen nicht mathematisch bewiesen werden. Stattdessen werden üblicherweise die statistischen Eigenschaften der Algorithmen mittels standardisierter Testsuiten auf Basis einer beschränkten Anzahl von Ausgangswerten untersucht. Außerdem kann die Anfälligkeit gegen bekannte Angriffe geprüft werden. Die vorliegende Arbeit demonstriert, dass wertvolle zusätzliche Informationen über die Eigenschaften eines Algorithmus' durch die Analyse der Zustandsraumstruktur gewonnen werden können. Es werden Analyseergebnisse verschiedener kryptographischer Primitive, einschließlich verbreiteter Algorithmen sowie neuer Verfahren und chaotischer Funktionen präsentiert. Des Weiteren werden mehrere neuartige Ansätze vorgestellt, die die Zustandsraumstruktur solcher Algorithmen signifikant verbessern. Diese Verbesserungen werden durch ihre Anwendung auf verschiedene Algorithmen sowie einer entsprechenden Zustandsraumanalyse demonstriert. Ergänzt wird dies durch weitere Untersuchungen auf Basis einer statistischen Auswertung durch die verbreiteten standardisierten Testsuiten.

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Spenger, Gabriele: Cryptographic Primitives in RFID Systems. Hagen 2017. FernUniversität in Hagen.

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