Simulation Tool and Case Study for Planning Wireless Sensor Network

In this paper, a simulation tool for assisting the deployment of wireless sensor network is introduced and simulation results are verified under a specific indoor environment. The simulation tool supports two modes: deterministic mode and stochastic mode. The deterministic mode is environment dependent in which the information of environment should be provided beforehand. Ray tracing method and deterministic propagation model are employed in order to increase the accuracy of the estimated coverage, connectivity and routing; the stochastic mode is useful for large scale random deployment without previous knowledge on geographic information. Dynamic Source Routing protocol (DSR) and Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing protocol (AODV) are implemented in order to calculate the topology of WSN. Hence this tool gives direct view on the performance of WSN and assists users in finding the potential problems of wireless sensor network before real deployment. At the end, a case study is realized in Centro de Electronica Industrial (CEI), the simulation results on coverage, connectivity and routing are verified by the measurement.

Desarrollo de aplicaciones de comunicaciones inalámbricas en sistemas de monitorización estructural desarrollados en aeronáutica.

Los Sistemas de SHM o de monitorización de la integridad estructural surgen ante la necesidad de mejorar los métodos de evaluación y de test no destructivos convencionales. De esta manera, se puede tener controlado todo tipo de estructuras en las cuales su correcto estado o funcionamiento suponga un factor crítico. Un Sistema SHM permite analizar una estructura concreta capturando de manera periódica el estado de la integridad estructural, que en este proyecto se ha aplicado a estructuras aeronáuticas. P.A.M.E.L.A. (Phase Array Monitoring for Enhanced Life Assessment) es la denominación utilizada para definir una serie de equipos electrónicos para Sistemas SHM desarrollados por AERNOVA y los Grupos de Diseño Electrónico de las universidades UPV/EHU y UPM. Los dispositivos P.A.M.E.L.A. originalmente no cuentan con tecnología Wi-Fi, por lo que incorporan un módulo hardware independiente que se encarga de las comunicaciones inalámbricas, a los que se les denomina Nodos. Estos Nodos poseen un Sistema Operativo propio y todo lo necesario para administrar y organizar la red Mallada Wi-Fi. De esta manera se obtiene una red mallada inalámbrica compuesta por Nodos que interconectan los Sistemas SHM y que se encargan de transmitir los datos a los equipos que procesan los resultados adquiridos por P.A.M.E.L.A. Los Nodos son dispositivos empotrados que llevan instalados un firmware basado en una distribución de Linux para Nodos (o Routers), llamado Openwrt. Que para disponer de una red mallada necesitan de un protocolo orientado a este tipo de redes. Entre las opciones de protocolo más destacadas se puede mencionar: DSDV (Destination Sequenced Distance Vector), OLSR (Optimized Link State Routing), B.A.T.M.A.N-Adv (Better Approach To Mobile Adhoc Networking Advance), BMX (una versión de B.A.T.M.A.N-Adv), AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector) y el DSR (Dynamic Source Routing). Además de la existencia de protocolos orientados a las redes malladas, también hay organizaciones que se dedican a desarrollar firmware que los utilizan, como es el caso del firmware llamado Nightwing que utiliza BMX, Freifunk que utiliza OLSR o Potato Mesh que utiliza B.A.T.M.A.N-Adv. La ventaja de estos tres firmwares mencionados es que las agrupaciones que las desarrollan proporcionan las imágenes precompiladas del sistema,listas para cargarlas en distintos modelos de Nodos. En este proyecto se han instalado las imágenes en los Nodos y se han probado los protocolos BMX, OLSR y B.A.T.M.A.N.-Adv. Concluyendo que la red gestionada por B.A.T.M.A.N.-Adv era la que mejor rendimiento obtenía en cuanto a estabilidad y ancho de banda. Después de haber definido el protocolo a usar, se procedió a desarrollar una distribución basada en Openwrt, que utilice B.A.T.M.A.N.-Adv para crear la red mallada, pero que se ajuste mejor a las necesidades del proyecto, ya que Nightwing, Freifunk y Potato Mesh no lo hacían. Además se implementan aplicaciones en lenguaje ANSI C y en LabVIEW para interactuar con los Nodos y los Sistemas SHM. También se procede a hacer alguna modificación en el Hardware de P.A.M.E.L.A. y del Nodo para obtener una mejor integración entre los dos dispositivos. Y por ultimo, se prueba la transferencia de datos de los Nodos en distintos escenarios. ABSTRACT. Structural Health Monitoring (SHM) systems arise from the need of improving assessment methods and conventional nondestructive tests. Critical structures can be monitored using SHM. A SHM system analyzes periodically a specific structure capturing the state of structural integrity. The aim of this project is to contribute in the implementation of Mesh network for SHM system in aircraft structures. P.A.M.E.L.A. (Phase Array Monitoring for Enhanced Life Assessment) is the name for electronic equipment developed by AERNOVA, the Electronic Design Groups of university UPV/EHU and the Instrumentation and Applied Acoustics research group from UPM. P.A.M.E.L.A. devices were not originally equipped with Wi-Fi interface. In this project a separate hardware module that handles wireless communications (nodes) has been added. The nodes include an operating system for manage the Wi-Fi Mesh Network and they form the wireless mesh network to link SHM systems with monitoring equipment. Nodes are embedded devices with an installed firmware based on special Linux distribution used in routers or nodes, called OpenWRT. They need a Mesh Protocol to stablish the network. The most common protocols options are: DSDV (Destination Sequenced Distance Vector), OLSR (Optimized Link State Routing), BATMAN-Adv (Better Approach To Mobile Ad-hoc Networking Advance), BMX (a version of BATMAN-Adv) AODV (Ad hoc on-Demand Distance Vector) and DSR (Dynamic Source Routing). In addition, there are organizations that are dedicated to develope firmware using these Mesh Protocols, for instance: Nightwing uses BMX, Freifunk use OLSR and Potato Mesh uses BATMAN-Adv. The advantage of these three firmwares is that these groups develop pre-compiled images of the system ready to be loaded in several models of Nodes. In this project the images were installed in the nodes. In this way, BMX, OLSR and BATMAN-Adv have been tested. We conclude that the protocol BATMAN-Adv has better performance in terms of stability and bandwidth. After choosing the protocol, the objective was to develop a distribution based on OpenWRT, using BATMAN-Adv to create the mesh network. This distribution is fitted to the requirements of this project. Besides, in this project it has been developed applications in C language and LabVIEW to interact with the Nodes and the SHM systems. The project also address some modifications to the PAMELA hardware and the Node, for better integration between both elements. Finally, data transfer tests among the different nodes in different scenarios has been carried out.

Spectral-analysis-surface-waves-method in ground characterization

The prediction of train induced vibration levels in structures close to railway tracks before track construction starts is important in order to avoid having to implement costly mitigation measures afterwards. The used models require an accurate characterization of the propagation medium i.e. the soil layers. To this end the spectral analysis of surface waves (SASW) method has been chosen among the active surface waves techniques available. As dynamic source a modal sledge hammer has been used. The generated vibrations have been measured at known offsets by means of several accelerometers. There are many parameters involved in estimating the experimental dispersion curve and, later on, thickness and propagation velocities of the different layers. Tests have been carried out at the Segovia railway station. Its main building covers some of the railway tracks and vibration problems in the building should be avoided. In the paper these tests as well as the influence of several parameters on the estimated soil profile will be detailed.

Improvement of the Dynamic Performance of a Buck Converter using Controlled Current Source as an Additional Energy Path

This work is related to the improvement of the dynamic performance of the Buck converter by means of introducing an additional power path that virtually increase s the output capacitance during transients, thus improving the output impedance of the converter. It is well known that in VRM applications, with wide load steps, voltage overshoots and undershoots ma y lead to undesired performance of the load. To solve this problem, high-bandwidth high-switching frequency power converter s can be applied to reduce the transient time or a big output capacitor can be applied to reduce the output impedance. The first solution can degrade the efficiency by increasing switching losses of the MOSFETS, and the second solution is penalizing the cost and size of the output filter. The additional energy path, as presented here, is introduced with the Output Impedance Correction Circuit (OICC) based on the Controlled Current Source (CCS). The OICC is using CCS to inject or extract a current n - 1 times larger than the output capacitor current, thus virtually increasing n times the value of the output capacitance during the transients. This feature allows the usage of a low frequency Buck converter with smaller capacitor but satisfying the dynamic requirements.

Dynamic Model-based Management of Service-Oriented Infrastructure.

Models are an effective tool for systems and software design. They allow software architects to abstract from the non-relevant details. Those qualities are also useful for the technical management of networks, systems and software, such as those that compose service oriented architectures. Models can provide a set of well-defined abstractions over the distributed heterogeneous service infrastructure that enable its automated management. We propose to use the managed system as a source of dynamically generated runtime models, and decompose management processes into a composition of model transformations. We have created an autonomic service deployment and configuration architecture that obtains, analyzes, and transforms system models to apply the required actions, while being oblivious to the low-level details. An instrumentation layer automatically builds these models and interprets the planned management actions to the system. We illustrate these concepts with a distributed service update operation.

A low power routing algorithm for localization in IEEE 802.15.4 networks

Many context-aware applications rely on the knowledge of the position of the user and the surrounding objects to provide advanced, personalized and real-time services. In wide-area deployments, a routing protocol is needed to collect the location information from distant nodes. In this paper, we propose a new source-initiated (on demand) routing protocol for location-aware applications in IEEE 802.15.4 wireless sensor networks. This protocol uses a low power MAC layer to maximize the lifetime of the network while maintaining the communication delay to a low value. Its performance is assessed through experimental tests that show a good trade-off between power consumption and time delay in the localization of a mobile device.

A Light-Weight On-Chip Monitoring Network for Dynamic Adaptation and Calibration

Current nanometer technologies suffer within-die parameter uncertainties, varying workload conditions, aging, and temperature effects that cause a serious reduction on yield and performance. In this scenario, monitoring, calibration, and dynamic adaptation become essential, demanding systems with a collection of multi purpose monitors and exposing the need for light-weight monitoring networks. This paper presents a new monitoring network paradigm able to perform an early prioritization of the information. This is achieved by the introduction of a new hierarchy level, the threshing level. Targeting it, we propose a time-domain signaling scheme over a single-wire that minimizes the network switching activity as well as the routing requirements. To validate our approach, we make a thorough analysis of the architectural trade-offs and expose two complete monitoring systems that suppose an area improvement of 40% and a power reduction of three orders of magnitude compared to previous works.

Dynamic Response of Wind Turbines to Theoretical 3D Seismic Motions Taking into Account the Rotational Component

We study the dynamic response of a wind turbine structure subjected to theoretical seismic motions, taking into account the rotational component of ground shaking. Models are generated for a shallow moderate crustal earthquake in the Madrid Region (Spain). Synthetic translational and rotational time histories are computed using the Discrete Wavenumber Method, assuming a point source and a horizontal layered earth structure. These are used to analyze the dynamic response of a wind turbine, represented by a simple finite element model. Von Mises stress values at different heights of the tower are used to study the dynamical structural response to a set of synthetic ground motion time histories

The scaled-time test as an alternative to the pseudo-dynamic test

The stepped and excessively slow execution of pseudo-dynamic tests has been found to be the source of some errors arising from strain-rate effect and stress relaxation. In order to control those errors, a new continuous test method which allows the selection of a more suitable time scale factor in the response is proposed in this work. By dimensional analysis, such scaled-time response is obtained theoretically by augmenting the inertial and damping properties of the structure, for which we propose the use of hydraulic pistons which are servo-controlled to produce active mass and damping, nevertheless using an equipment which is similar to that required in a pseudo-dynamic test. The results of the successful implementation of this technique for a simple specimen are shown here.

Influence of texture on the recrystallization mechanisms in an AZ31 Mg sheet alloy at dynamic rates

An AZ31 rolled sheet alloy has been tested at dynamic strain rates View the MathML source at 250 °C up to various intermediate strains before failure in order to investigate the predominant deformation and restoration mechanisms. In particular, tests have been carried out in compression along the rolling direction (RD), in tension along the RD and in compression along the normal direction (ND). It has been found that dynamic recrystallization (DRX) takes place despite the limited diffusion taking place under the high strain rates investigated. The DRX mechanisms and kinetics depend on the operative deformation mechanisms and thus vary for different loading modes (tension, compression) as well as for different relative orientations between the loading axis and the c-axes of the grains. In particular, DRX is enhanced by the operation of 〈c + a〉 slip, since cross-slip and climb take place more readily than for other slip systems, and thus the formation of high angle boundaries is easier. DRX is also clearly promoted by twinning.

Temperature Sensor Placement Including Routing Overhead and Sampling Inaccuracies

Dynamic thermal management techniques require a collection of on-chip thermal sensors that imply a significant area and power overhead. Finding the optimum number of temperature monitors and their location on the chip surface to optimize accuracy is an NP-hard problem. In this work we improve the modeling of the problem by including area, power and networking constraints along with the consideration of three inaccuracy terms: spatial errors, sampling rate errors and monitor-inherent errors. The problem is solved by the simulated annealing algorithm. We apply the algorithm to a test case employing three different types of monitors to highlight the importance of the different metrics. Finally we present a case study of the Alpha 21364 processor under two different constraint scenarios.

Automatic Generation of Identical Routing Pairs for FPGA Implemented DPL Logic

Side Channel Attacks (SCAs) typically gather unintentional (side channel) physical leakages from running crypto-devices to reveal confidential data. Dual-rail Precharge Logic (DPL) is one of the most efficient countermeasures against power or EM side channel threats. This logic relies on the implementation of complementary rails to counterbalance the data-dependent variations of the leakage from dynamic behavior of the original circuit. However, the lack of flexibility of commercial FPGA design tools makes it quite difficult to obtain completely balanced routings between complementary networks. In this paper, a controllable repair mechanism to guarantee identical net pairs from two lines is presented: i. repairs the identical yet conflict nets after the duplication (copy & paste) from original rail to complementary rail, and ii. repairs the non-identical nets in off-the-stock DPL circuits; These rerouting steps are carried out starting from a placed and routed netlist using Xilinx Description Language (XDL). Low level XDL modifications have been completely automated using a set of APIs named RapidSmith. Experimental EM attacks show that the resistance level of an AES core after the automatic routing repair is increased in a factor of at least 3.5. Timing analyses further demonstrate that net delay differences between complementary networks are minimized significantly.

Un modelo de encaminamiento en las redes móviles ad hoc con QoS

En la última década ha aumentado en gran medida el interés por las redes móviles Ad Hoc. La naturaleza dinámica y sin infraestructura de estas redes, exige un nuevo conjunto de algoritmos y estrategias para proporcionar un servicio de comunicación fiable extremo a extremo. En el contexto de las redes móviles Ad Hoc, el encaminamiento surge como una de las áreas más interesantes para transmitir información desde una fuente hasta un destino, con la calidad de servicio de extremo a extremo. Debido a las restricciones inherentes a las redes móviles, los modelos de encaminamiento tradicionales sobre los que se fundamentan las redes fijas, no son aplicables a las redes móviles Ad Hoc. Como resultado, el encaminamiento en redes móviles Ad Hoc ha gozado de una gran atención durante los últimos años. Esto ha llevado al acrecentamiento de numerosos protocolos de encaminamiento, tratando de cubrir con cada uno de ellos las necesidades de los diferentes tipos de escenarios. En consecuencia, se hace imprescindible estudiar el comportamiento de estos protocolos bajo configuraciones de red variadas, con el fin de ofrecer un mejor encaminamiento respecto a los existentes. El presente trabajo de investigación muestra precisamente una solución de encaminamiento en las redes móviles Ad Hoc. Dicha solución se basa en el mejoramiento de un algoritmo de agrupamiento y la creación de un modelo de encaminamiento; es decir, un modelo que involucra la optimización de un protocolo de enrutamiento apoyado de un mecanismo de agrupación. El algoritmo mejorado, denominado GMWCA (Group Management Weighted Clustering Algorithm) y basado en el WCA (Weighted Clustering Algorithm), permite calcular el mejor número y tamaño de grupos en la red. Con esta mejora se evitan constantes reagrupaciones y que los jefes de clústeres tengan más tiempo de vida intra-clúster y por ende una estabilidad en la comunicación inter-clúster. En la tesis se detallan las ventajas de nuestro algoritmo en relación a otras propuestas bajo WCA. El protocolo de enrutamiento Ad Hoc propuesto, denominado QoS Group Cluster Based Routing Protocol (QoSG-CBRP), utiliza como estrategia el empleo de clúster y jerarquías apoyada en el algoritmo de agrupamiento. Cada clúster tiene un jefe de clúster (JC), quien administra la información de enrutamiento y la envía al destino cuando esta fuera de su área de cobertura. Para evitar que haya constantes reagrupamientos y llamados al algoritmo de agrupamiento se consideró agregarle un jefe de cluster de soporte (JCS), el que asume las funciones del JC, siempre y cuando este haya roto el enlace con los otros nodos comunes del clúster por razones de alejamiento o por desgaste de batería. Matemáticamente y a nivel de algoritmo se han demostrado las mejoras del modelo propuesto, el cual ha involucrado el mejoramiento a nivel de algoritmo de clustering y del protocolo de enrutamiento. El protocolo QoSG-CBRP, se ha implementado en la herramienta de simulación Network Simulator 2 (NS2), con la finalidad de ser comparado con el protocolo de enrutamiento jerárquico Cluster Based Routing Protocol (CBRP) y con un protocolo de enrutamiento Ad Hoc reactivo denominado Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing (AODV). Estos protocolos fueron elegidos por ser los que mejor comportamiento presentaron dentro de sus categorías. Además de ofrecer un panorama general de los actuales protocolos de encaminamiento en redes Ad Hoc, este proyecto presenta un procedimiento integral para el análisis de capacidades de la propuesta del nuevo protocolo con respecto a otros, sobre redes que tienen un alto número de nodos. Estas prestaciones se miden en base al concepto de eficiencia de encaminamiento bajo parámetros de calidad de servicio (QoS), permitiendo establecer el camino más corto posible entre un nodo origen y un nodo destino. Con ese fin se han realizado simulaciones con diversos escenarios para responder a los objetivos de la tesis. La conclusiones derivadas del análisis de los resultados permiten evaluar cualitativamente las capacidades que presenta el protocolo dentro del modelo propuesto, al mismo tiempo que avizora un atractivo panorama en líneas futuras de investigación. ABSTRACT In the past decade, the interest in mobile Ad Hoc networks has greatly increased. The dynamic nature of these networks without infrastructure requires a new set of algorithms and strategies to provide a reliable end-to-end communication service. In the context of mobile Ad Hoc networks, routing emerges as one of the most interesting areas for transmitting information from a source to a destination, with the quality of service from end-to-end. Due to the constraints of mobile networks, traditional routing models that are based on fixed networks are not applicable to Ad Hoc mobile networks. As a result, the routing in mobile Ad Hoc networks has experienced great attention in recent years. This has led to the enhancement of many routing protocols, trying to cover with each one of them, the needs of different types of scenarios. Consequently, it is essential to study the behavior of these protocols under various network configurations, in order to provide a better routing scheme. Precisely, the present research shows a routing solution in mobile Ad Hoc networks. This solution is based on the improvement of a clustering algorithm, and the creation of a routing model, ie a model that involves optimizing a routing protocol with the support of a grouping mechanism. The improved algorithm called GMWCA (Group Management Weighted Clustering Algorithm) and based on the WCA (Weighted Clustering Algorithm), allows to calculate the best number and size of groups in the network. With this enhancement, constant regroupings are prevented and cluster heads are living longer intra-cluster lives and therefore stability in inter-cluster communication. The thesis details the advantages of our algorithm in relation to other proposals under WCA. The Ad Hoc routing protocol proposed, called QoS Group Cluster Based Routing Protocol (QoSG-CBRP), uses a cluster-employment strategy and hierarchies supported by the clustering algorithm. Each cluster has a cluster head (JC), who manages the routing information and sends it to the destination when is out of your coverage area. To avoid constant rearrangements and clustering algorithm calls, adding a support cluster head (JCS) was considered. The JCS assumes the role of the JC as long as JC has broken the link with the other nodes in the cluster for common restraining reasons or battery wear. Mathematically and at an algorithm level, the improvements of the proposed model have been showed, this has involved the improvement level clustering algorithm and the routing protocol. QoSG-CBRP protocol has been implemented in the simulation tool Network Simulator 2 (NS2), in order to be compared with the hierarchical routing protocol Cluster Based Routing Protocol (CBRP) and with the reactive routing protocol Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing (AODV). These protocols were chosen because they showed the best individual performance in their categories. In addition to providing an overview of existing routing protocols in Ad Hoc networks, this project presents a comprehensive procedure for capacity analysis of the proposed new protocol with respect to others on networks that have a high number of nodes. These benefits are measured based on the concept of routing efficiency under the quality of service (QoS) parameters, thus allowing for the shortest possible path between a source node and a destination node. To meet the objectives of the thesis, simulations have been performed with different scenarios. The conclusions derived from the analysis of the results to assess qualitatively the protocol capabilities presented in the proposed model, while an attractive scenario for future research appears.

DCE@urLAB: a dynamic contrast-enhanced MRI pharmacokinetic analysis tool for preclinical data

Background DCE@urLAB is a software application for analysis of dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging data (DCE-MRI). The tool incorporates a friendly graphical user interface (GUI) to interactively select and analyze a region of interest (ROI) within the image set, taking into account the tissue concentration of the contrast agent (CA) and its effect on pixel intensity. Results Pixel-wise model-based quantitative parameters are estimated by fitting DCE-MRI data to several pharmacokinetic models using the Levenberg-Marquardt algorithm (LMA). DCE@urLAB also includes the semi-quantitative parametric and heuristic analysis approaches commonly used in practice. This software application has been programmed in the Interactive Data Language (IDL) and tested both with publicly available simulated data and preclinical studies from tumor-bearing mouse brains. Conclusions A user-friendly solution for applying pharmacokinetic and non-quantitative analysis DCE-MRI in preclinical studies has been implemented and tested. The proposed tool has been specially designed for easy selection of multi-pixel ROIs. A public release of DCE@urLAB, together with the open source code and sample datasets, is available at http://www.die.upm.es/im/archives/DCEurLAB/ webcite.

Side-Channel Attack Protection Techniques in FPGA Systems using Enhanced Dual-Rail Solutions

Esta tesis doctoral se centra principalmente en técnicas de ataque y contramedidas relacionadas con ataques de canal lateral (SCA por sus siglas en inglés), que han sido propuestas dentro del campo de investigación académica desde hace 17 años. Las investigaciones relacionadas han experimentado un notable crecimiento en las últimas décadas, mientras que los diseños enfocados en la protección sólida y eficaz contra dichos ataques aún se mantienen como un tema de investigación abierto, en el que se necesitan iniciativas más confiables para la protección de la información persona de empresa y de datos nacionales. El primer uso documentado de codificación secreta se remonta a alrededor de 1700 B.C., cuando los jeroglíficos del antiguo Egipto eran descritos en las inscripciones. La seguridad de la información siempre ha supuesto un factor clave en la transmisión de datos relacionados con inteligencia diplomática o militar. Debido a la evolución rápida de las técnicas modernas de comunicación, soluciones de cifrado se incorporaron por primera vez para garantizar la seguridad, integridad y confidencialidad de los contextos de transmisión a través de cables sin seguridad o medios inalámbricos. Debido a las restricciones de potencia de cálculo antes de la era del ordenador, la técnica de cifrado simple era un método más que suficiente para ocultar la información. Sin embargo, algunas vulnerabilidades algorítmicas pueden ser explotadas para restaurar la regla de codificación sin mucho esfuerzo. Esto ha motivado nuevas investigaciones en el área de la criptografía, con el fin de proteger el sistema de información ante sofisticados algoritmos. Con la invención de los ordenadores se ha acelerado en gran medida la implementación de criptografía segura, que ofrece resistencia eficiente encaminada a obtener mayores capacidades de computación altamente reforzadas. Igualmente, sofisticados cripto-análisis han impulsado las tecnologías de computación. Hoy en día, el mundo de la información ha estado involucrado con el campo de la criptografía, enfocada a proteger cualquier campo a través de diversas soluciones de cifrado. Estos enfoques se han fortalecido debido a la unificación optimizada de teorías matemáticas modernas y prácticas eficaces de hardware, siendo posible su implementación en varias plataformas (microprocesador, ASIC, FPGA, etc.). Las necesidades y requisitos de seguridad en la industria son las principales métricas de conducción en el diseño electrónico, con el objetivo de promover la fabricación de productos de gran alcance sin sacrificar la seguridad de los clientes. Sin embargo, una vulnerabilidad en la implementación práctica encontrada por el Prof. Paul Kocher, et al en 1996 implica que un circuito digital es inherentemente vulnerable a un ataque no convencional, lo cual fue nombrado posteriormente como ataque de canal lateral, debido a su fuente de análisis. Sin embargo, algunas críticas sobre los algoritmos criptográficos teóricamente seguros surgieron casi inmediatamente después de este descubrimiento. En este sentido, los circuitos digitales consisten típicamente en un gran número de celdas lógicas fundamentales (como MOS - Metal Oxide Semiconductor), construido sobre un sustrato de silicio durante la fabricación. La lógica de los circuitos se realiza en función de las innumerables conmutaciones de estas células. Este mecanismo provoca inevitablemente cierta emanación física especial que puede ser medida y correlacionada con el comportamiento interno del circuito. SCA se puede utilizar para revelar datos confidenciales (por ejemplo, la criptografía de claves), analizar la arquitectura lógica, el tiempo e incluso inyectar fallos malintencionados a los circuitos que se implementan en sistemas embebidos, como FPGAs, ASICs, o tarjetas inteligentes. Mediante el uso de la comparación de correlación entre la cantidad de fuga estimada y las fugas medidas de forma real, información confidencial puede ser reconstruida en mucho menos tiempo y computación. Para ser precisos, SCA básicamente cubre una amplia gama de tipos de ataques, como los análisis de consumo de energía y radiación ElectroMagnética (EM). Ambos se basan en análisis estadístico y, por lo tanto, requieren numerosas muestras. Los algoritmos de cifrado no están intrínsecamente preparados para ser resistentes ante SCA. Es por ello que se hace necesario durante la implementación de circuitos integrar medidas que permitan camuflar las fugas a través de "canales laterales". Las medidas contra SCA están evolucionando junto con el desarrollo de nuevas técnicas de ataque, así como la continua mejora de los dispositivos electrónicos. Las características físicas requieren contramedidas sobre la capa física, que generalmente se pueden clasificar en soluciones intrínsecas y extrínsecas. Contramedidas extrínsecas se ejecutan para confundir la fuente de ataque mediante la integración de ruido o mala alineación de la actividad interna. Comparativamente, las contramedidas intrínsecas están integradas en el propio algoritmo, para modificar la aplicación con el fin de minimizar las fugas medibles, o incluso hacer que dichas fugas no puedan ser medibles. Ocultación y Enmascaramiento son dos técnicas típicas incluidas en esta categoría. Concretamente, el enmascaramiento se aplica a nivel algorítmico, para alterar los datos intermedios sensibles con una máscara de manera reversible. A diferencia del enmascaramiento lineal, las operaciones no lineales que ampliamente existen en criptografías modernas son difíciles de enmascarar. Dicho método de ocultación, que ha sido verificado como una solución efectiva, comprende principalmente la codificación en doble carril, que está ideado especialmente para aplanar o eliminar la fuga dependiente de dato en potencia o en EM. En esta tesis doctoral, además de la descripción de las metodologías de ataque, se han dedicado grandes esfuerzos sobre la estructura del prototipo de la lógica propuesta, con el fin de realizar investigaciones enfocadas a la seguridad sobre contramedidas de arquitectura a nivel lógico. Una característica de SCA reside en el formato de las fuentes de fugas. Un típico ataque de canal lateral se refiere al análisis basado en la potencia, donde la capacidad fundamental del transistor MOS y otras capacidades parásitas son las fuentes esenciales de fugas. Por lo tanto, una lógica robusta resistente a SCA debe eliminar o mitigar las fugas de estas micro-unidades, como las puertas lógicas básicas, los puertos I/O y las rutas. Las herramientas EDA proporcionadas por los vendedores manipulan la lógica desde un nivel más alto, en lugar de realizarlo desde el nivel de puerta, donde las fugas de canal lateral se manifiestan. Por lo tanto, las implementaciones clásicas apenas satisfacen estas necesidades e inevitablemente atrofian el prototipo. Por todo ello, la implementación de un esquema de diseño personalizado y flexible ha de ser tomado en cuenta. En esta tesis se presenta el diseño y la implementación de una lógica innovadora para contrarrestar SCA, en la que se abordan 3 aspectos fundamentales: I. Se basa en ocultar la estrategia sobre el circuito en doble carril a nivel de puerta para obtener dinámicamente el equilibrio de las fugas en las capas inferiores; II. Esta lógica explota las características de la arquitectura de las FPGAs, para reducir al mínimo el gasto de recursos en la implementación; III. Se apoya en un conjunto de herramientas asistentes personalizadas, incorporadas al flujo genérico de diseño sobre FPGAs, con el fin de manipular los circuitos de forma automática. El kit de herramientas de diseño automático es compatible con la lógica de doble carril propuesta, para facilitar la aplicación práctica sobre la familia de FPGA del fabricante Xilinx. En este sentido, la metodología y las herramientas son flexibles para ser extendido a una amplia gama de aplicaciones en las que se desean obtener restricciones mucho más rígidas y sofisticadas a nivel de puerta o rutado. En esta tesis se realiza un gran esfuerzo para facilitar el proceso de implementación y reparación de lógica de doble carril genérica. La viabilidad de las soluciones propuestas es validada mediante la selección de algoritmos criptográficos ampliamente utilizados, y su evaluación exhaustiva en comparación con soluciones anteriores. Todas las propuestas están respaldadas eficazmente a través de ataques experimentales con el fin de validar las ventajas de seguridad del sistema. El presente trabajo de investigación tiene la intención de cerrar la brecha entre las barreras de implementación y la aplicación efectiva de lógica de doble carril. En esencia, a lo largo de esta tesis se describirá un conjunto de herramientas de implementación para FPGAs que se han desarrollado para trabajar junto con el flujo de diseño genérico de las mismas, con el fin de lograr crear de forma innovadora la lógica de doble carril. Un nuevo enfoque en el ámbito de la seguridad en el cifrado se propone para obtener personalización, automatización y flexibilidad en el prototipo de circuito de bajo nivel con granularidad fina. Las principales contribuciones del presente trabajo de investigación se resumen brevemente a continuación: Lógica de Precharge Absorbed-DPL logic: El uso de la conversión de netlist para reservar LUTs libres para ejecutar la señal de precharge y Ex en una lógica DPL. Posicionamiento entrelazado Row-crossed con pares idénticos de rutado en redes de doble carril, lo que ayuda a aumentar la resistencia frente a la medición EM selectiva y mitigar los impactos de las variaciones de proceso. Ejecución personalizada y herramientas de conversión automática para la generación de redes idénticas para la lógica de doble carril propuesta. (a) Para detectar y reparar conflictos en las conexiones; (b) Detectar y reparar las rutas asimétricas. (c) Para ser utilizado en otras lógicas donde se requiere un control estricto de las interconexiones en aplicaciones basadas en Xilinx. Plataforma CPA de pruebas personalizadas para el análisis de EM y potencia, incluyendo la construcción de dicha plataforma, el método de medición y análisis de los ataques. Análisis de tiempos para cuantificar los niveles de seguridad. División de Seguridad en la conversión parcial de un sistema de cifrado complejo para reducir los costes de la protección. Prueba de concepto de un sistema de calefacción auto-adaptativo para mitigar los impactos eléctricos debido a la variación del proceso de silicio de manera dinámica. La presente tesis doctoral se encuentra organizada tal y como se detalla a continuación: En el capítulo 1 se abordan los fundamentos de los ataques de canal lateral, que abarca desde conceptos básicos de teoría de modelos de análisis, además de la implementación de la plataforma y la ejecución de los ataques. En el capítulo 2 se incluyen las estrategias de resistencia SCA contra los ataques de potencia diferencial y de EM. Además de ello, en este capítulo se propone una lógica en doble carril compacta y segura como contribución de gran relevancia, así como también se presentará la transformación lógica basada en un diseño a nivel de puerta. Por otra parte, en el Capítulo 3 se abordan los desafíos relacionados con la implementación de lógica en doble carril genérica. Así mismo, se describirá un flujo de diseño personalizado para resolver los problemas de aplicación junto con una herramienta de desarrollo automático de aplicaciones propuesta, para mitigar las barreras de diseño y facilitar los procesos. En el capítulo 4 se describe de forma detallada la elaboración e implementación de las herramientas propuestas. Por otra parte, la verificación y validaciones de seguridad de la lógica propuesta, así como un sofisticado experimento de verificación de la seguridad del rutado, se describen en el capítulo 5. Por último, un resumen de las conclusiones de la tesis y las perspectivas como líneas futuras se incluyen en el capítulo 6. Con el fin de profundizar en el contenido de la tesis doctoral, cada capítulo se describe de forma más detallada a continuación: En el capítulo 1 se introduce plataforma de implementación hardware además las teorías básicas de ataque de canal lateral, y contiene principalmente: (a) La arquitectura genérica y las características de la FPGA a utilizar, en particular la Xilinx Virtex-5; (b) El algoritmo de cifrado seleccionado (un módulo comercial Advanced Encryption Standard (AES)); (c) Los elementos esenciales de los métodos de canal lateral, que permiten revelar las fugas de disipación correlacionadas con los comportamientos internos; y el método para recuperar esta relación entre las fluctuaciones físicas en los rastros de canal lateral y los datos internos procesados; (d) Las configuraciones de las plataformas de pruebas de potencia / EM abarcadas dentro de la presente tesis. El contenido de esta tesis se amplia y profundiza a partir del capítulo 2, en el cual se abordan varios aspectos claves. En primer lugar, el principio de protección de la compensación dinámica de la lógica genérica de precarga de doble carril (Dual-rail Precharge Logic-DPL) se explica mediante la descripción de los elementos compensados a nivel de puerta. En segundo lugar, la lógica PA-DPL es propuesta como aportación original, detallando el protocolo de la lógica y un caso de aplicación. En tercer lugar, dos flujos de diseño personalizados se muestran para realizar la conversión de doble carril. Junto con ello, se aclaran las definiciones técnicas relacionadas con la manipulación por encima de la netlist a nivel de LUT. Finalmente, una breve discusión sobre el proceso global se aborda en la parte final del capítulo. El Capítulo 3 estudia los principales retos durante la implementación de DPLs en FPGAs. El nivel de seguridad de las soluciones de resistencia a SCA encontradas en el estado del arte se ha degenerado debido a las barreras de implantación a través de herramientas EDA convencionales. En el escenario de la arquitectura FPGA estudiada, se discuten los problemas de los formatos de doble carril, impactos parásitos, sesgo tecnológico y la viabilidad de implementación. De acuerdo con estas elaboraciones, se plantean dos problemas: Cómo implementar la lógica propuesta sin penalizar los niveles de seguridad, y cómo manipular un gran número de celdas y automatizar el proceso. El PA-DPL propuesto en el capítulo 2 se valida con una serie de iniciativas, desde características estructurales como doble carril entrelazado o redes de rutado clonadas, hasta los métodos de aplicación tales como las herramientas de personalización y automatización de EDA. Por otra parte, un sistema de calefacción auto-adaptativo es representado y aplicado a una lógica de doble núcleo, con el fin de ajustar alternativamente la temperatura local para equilibrar los impactos negativos de la variación del proceso durante la operación en tiempo real. El capítulo 4 se centra en los detalles de la implementación del kit de herramientas. Desarrollado sobre una API third-party, el kit de herramientas personalizado es capaz de manipular los elementos de la lógica de circuito post P&R ncd (una versión binaria ilegible del xdl) convertido al formato XDL Xilinx. El mecanismo y razón de ser del conjunto de instrumentos propuestos son cuidadosamente descritos, que cubre la detección de enrutamiento y los enfoques para la reparación. El conjunto de herramientas desarrollado tiene como objetivo lograr redes de enrutamiento estrictamente idénticos para la lógica de doble carril, tanto para posicionamiento separado como para el entrelazado. Este capítulo particularmente especifica las bases técnicas para apoyar las implementaciones en los dispositivos de Xilinx y su flexibilidad para ser utilizado sobre otras aplicaciones. El capítulo 5 se enfoca en la aplicación de los casos de estudio para la validación de los grados de seguridad de la lógica propuesta. Se discuten los problemas técnicos detallados durante la ejecución y algunas nuevas técnicas de implementación. (a) Se discute el impacto en el proceso de posicionamiento de la lógica utilizando el kit de herramientas propuesto. Diferentes esquemas de implementación, tomando en cuenta la optimización global en seguridad y coste, se verifican con los experimentos con el fin de encontrar los planes de posicionamiento y reparación optimizados; (b) las validaciones de seguridad se realizan con los métodos de correlación y análisis de tiempo; (c) Una táctica asintótica se aplica a un núcleo AES sobre BCDL estructurado para validar de forma sofisticada el impacto de enrutamiento sobre métricas de seguridad; (d) Los resultados preliminares utilizando el sistema de calefacción auto-adaptativa sobre la variación del proceso son mostrados; (e) Se introduce una aplicación práctica de las herramientas para un diseño de cifrado completa. Capítulo 6 incluye el resumen general del trabajo presentado dentro de esta tesis doctoral. Por último, una breve perspectiva del trabajo futuro se expone, lo que puede ampliar el potencial de utilización de las contribuciones de esta tesis a un alcance más allá de los dominios de la criptografía en FPGAs. ABSTRACT This PhD thesis mainly concentrates on countermeasure techniques related to the Side Channel Attack (SCA), which has been put forward to academic exploitations since 17 years ago. The related research has seen a remarkable growth in the past decades, while the design of solid and efficient protection still curiously remain as an open research topic where more reliable initiatives are required for personal information privacy, enterprise and national data protections. The earliest documented usage of secret code can be traced back to around 1700 B.C., when the hieroglyphs in ancient Egypt are scribed in inscriptions. Information security always gained serious attention from diplomatic or military intelligence transmission. Due to the rapid evolvement of modern communication technique, crypto solution was first incorporated by electronic signal to ensure the confidentiality, integrity, availability, authenticity and non-repudiation of the transmitted contexts over unsecure cable or wireless channels. Restricted to the computation power before computer era, simple encryption tricks were practically sufficient to conceal information. However, algorithmic vulnerabilities can be excavated to restore the encoding rules with affordable efforts. This fact motivated the development of modern cryptography, aiming at guarding information system by complex and advanced algorithms. The appearance of computers has greatly pushed forward the invention of robust cryptographies, which efficiently offers resistance relying on highly strengthened computing capabilities. Likewise, advanced cryptanalysis has greatly driven the computing technologies in turn. Nowadays, the information world has been involved into a crypto world, protecting any fields by pervasive crypto solutions. These approaches are strong because of the optimized mergence between modern mathematical theories and effective hardware practices, being capable of implement crypto theories into various platforms (microprocessor, ASIC, FPGA, etc). Security needs from industries are actually the major driving metrics in electronic design, aiming at promoting the construction of systems with high performance without sacrificing security. Yet a vulnerability in practical implementation found by Prof. Paul Kocher, et al in 1996 implies that modern digital circuits are inherently vulnerable to an unconventional attack approach, which was named as side-channel attack since then from its analysis source. Critical suspicions to theoretically sound modern crypto algorithms surfaced almost immediately after this discovery. To be specifically, digital circuits typically consist of a great number of essential logic elements (as MOS - Metal Oxide Semiconductor), built upon a silicon substrate during the fabrication. Circuit logic is realized relying on the countless switch actions of these cells. This mechanism inevitably results in featured physical emanation that can be properly measured and correlated with internal circuit behaviors. SCAs can be used to reveal the confidential data (e.g. crypto-key), analyze the logic architecture, timing and even inject malicious faults to the circuits that are implemented in hardware system, like FPGA, ASIC, smart Card. Using various comparison solutions between the predicted leakage quantity and the measured leakage, secrets can be reconstructed at much less expense of time and computation. To be precisely, SCA basically encloses a wide range of attack types, typically as the analyses of power consumption or electromagnetic (EM) radiation. Both of them rely on statistical analyses, and hence require a number of samples. The crypto algorithms are not intrinsically fortified with SCA-resistance. Because of the severity, much attention has to be taken into the implementation so as to assemble countermeasures to camouflage the leakages via "side channels". Countermeasures against SCA are evolving along with the development of attack techniques. The physical characteristics requires countermeasures over physical layer, which can be generally classified into intrinsic and extrinsic vectors. Extrinsic countermeasures are executed to confuse the attacker by integrating noise, misalignment to the intra activities. Comparatively, intrinsic countermeasures are built into the algorithm itself, to modify the implementation for minimizing the measurable leakage, or making them not sensitive any more. Hiding and Masking are two typical techniques in this category. Concretely, masking applies to the algorithmic level, to alter the sensitive intermediate values with a mask in reversible ways. Unlike the linear masking, non-linear operations that widely exist in modern cryptographies are difficult to be masked. Approved to be an effective counter solution, hiding method mainly mentions dual-rail logic, which is specially devised for flattening or removing the data-dependent leakage in power or EM signatures. In this thesis, apart from the context describing the attack methodologies, efforts have also been dedicated to logic prototype, to mount extensive security investigations to countermeasures on logic-level. A characteristic of SCA resides on the format of leak sources. Typical side-channel attack concerns the power based analysis, where the fundamental capacitance from MOS transistors and other parasitic capacitances are the essential leak sources. Hence, a robust SCA-resistant logic must eliminate or mitigate the leakages from these micro units, such as basic logic gates, I/O ports and routings. The vendor provided EDA tools manipulate the logic from a higher behavioral-level, rather than the lower gate-level where side-channel leakage is generated. So, the classical implementations barely satisfy these needs and inevitably stunt the prototype. In this case, a customized and flexible design scheme is appealing to be devised. This thesis profiles an innovative logic style to counter SCA, which mainly addresses three major aspects: I. The proposed logic is based on the hiding strategy over gate-level dual-rail style to dynamically overbalance side-channel leakage from lower circuit layer; II. This logic exploits architectural features of modern FPGAs, to minimize the implementation expenses; III. It is supported by a set of assistant custom tools, incorporated by the generic FPGA design flow, to have circuit manipulations in an automatic manner. The automatic design toolkit supports the proposed dual-rail logic, facilitating the practical implementation on Xilinx FPGA families. While the methodologies and the tools are flexible to be expanded to a wide range of applications where rigid and sophisticated gate- or routing- constraints are desired. In this thesis a great effort is done to streamline the implementation workflow of generic dual-rail logic. The feasibility of the proposed solutions is validated by selected and widely used crypto algorithm, for thorough and fair evaluation w.r.t. prior solutions. All the proposals are effectively verified by security experiments. The presented research work attempts to solve the implementation troubles. The essence that will be formalized along this thesis is that a customized execution toolkit for modern FPGA systems is developed to work together with the generic FPGA design flow for creating innovative dual-rail logic. A method in crypto security area is constructed to obtain customization, automation and flexibility in low-level circuit prototype with fine-granularity in intractable routings. Main contributions of the presented work are summarized next: Precharge Absorbed-DPL logic: Using the netlist conversion to reserve free LUT inputs to execute the Precharge and Ex signal in a dual-rail logic style. A row-crossed interleaved placement method with identical routing pairs in dual-rail networks, which helps to increase the resistance against selective EM measurement and mitigate the impacts from process variations. Customized execution and automatic transformation tools for producing identical networks for the proposed dual-rail logic. (a) To detect and repair the conflict nets; (b) To detect and repair the asymmetric nets. (c) To be used in other logics where strict network control is required in Xilinx scenario. Customized correlation analysis testbed for EM and power attacks, including the platform construction, measurement method and attack analysis. A timing analysis based method for quantifying the security grades. A methodology of security partitions of complex crypto systems for reducing the protection cost. A proof-of-concept self-adaptive heating system to mitigate electrical impacts over process variations in dynamic dual-rail compensation manner. The thesis chapters are organized as follows: Chapter 1 discusses the side-channel attack fundamentals, which covers from theoretic basics to analysis models, and further to platform setup and attack execution. Chapter 2 centers to SCA-resistant strategies against generic power and EM attacks. In this chapter, a major contribution, a compact and secure dual-rail logic style, will be originally proposed. The logic transformation based on bottom-layer design will be presented. Chapter 3 is scheduled to elaborate the implementation challenges of generic dual-rail styles. A customized design flow to solve the implementation problems will be described along with a self-developed automatic implementation toolkit, for mitigating the design barriers and facilitating the processes. Chapter 4 will originally elaborate the tool specifics and construction details. The implementation case studies and security validations for the proposed logic style, as well as a sophisticated routing verification experiment, will be described in Chapter 5. Finally, a summary of thesis conclusions and perspectives for future work are included in Chapter 5. To better exhibit the thesis contents, each chapter is further described next: Chapter 1 provides the introduction of hardware implementation testbed and side-channel attack fundamentals, and mainly contains: (a) The FPGA generic architecture and device features, particularly of Virtex-5 FPGA; (b) The selected crypto algorithm - a commercially and extensively used Advanced Encryption Standard (AES) module - is detailed; (c) The essentials of Side-Channel methods are profiled. It reveals the correlated dissipation leakage to the internal behaviors, and the method to recover this relationship between the physical fluctuations in side-channel traces and the intra processed data; (d) The setups of the power/EM testing platforms enclosed inside the thesis work are given. The content of this thesis is expanded and deepened from chapter 2, which is divided into several aspects. First, the protection principle of dynamic compensation of the generic dual-rail precharge logic is explained by describing the compensated gate-level elements. Second, the novel DPL is originally proposed by detailing the logic protocol and an implementation case study. Third, a couple of custom workflows are shown next for realizing the rail conversion. Meanwhile, the technical definitions that are about to be manipulated above LUT-level netlist are clarified. A brief discussion about the batched process is given in the final part. Chapter 3 studies the implementation challenges of DPLs in FPGAs. The security level of state-of-the-art SCA-resistant solutions are decreased due to the implementation barriers using conventional EDA tools. In the studied FPGA scenario, problems are discussed from dual-rail format, parasitic impact, technological bias and implementation feasibility. According to these elaborations, two problems arise: How to implement the proposed logic without crippling the security level; and How to manipulate a large number of cells and automate the transformation. The proposed PA-DPL in chapter 2 is legalized with a series of initiatives, from structures to implementation methods. Furthermore, a self-adaptive heating system is depicted and implemented to a dual-core logic, assumed to alternatively adjust local temperature for balancing the negative impacts from silicon technological biases on real-time. Chapter 4 centers to the toolkit system. Built upon a third-party Application Program Interface (API) library, the customized toolkit is able to manipulate the logic elements from post P&R circuit (an unreadable binary version of the xdl one) converted to Xilinx xdl format. The mechanism and rationale of the proposed toolkit are carefully convoyed, covering the routing detection and repairing approaches. The developed toolkit aims to achieve very strictly identical routing networks for dual-rail logic both for separate and interleaved placement. This chapter particularly specifies the technical essentials to support the implementations in Xilinx devices and the flexibility to be expanded to other applications. Chapter 5 focuses on the implementation of the case studies for validating the security grades of the proposed logic style from the proposed toolkit. Comprehensive implementation techniques are discussed. (a) The placement impacts using the proposed toolkit are discussed. Different execution schemes, considering the global optimization in security and cost, are verified with experiments so as to find the optimized placement and repair schemes; (b) Security validations are realized with correlation, timing methods; (c) A systematic method is applied to a BCDL structured module to validate the routing impact over security metric; (d) The preliminary results using the self-adaptive heating system over process variation is given; (e) A practical implementation of the proposed toolkit to a large design is introduced. Chapter 6 includes the general summary of the complete work presented inside this thesis. Finally, a brief perspective for the future work is drawn which might expand the potential utilization of the thesis contributions to a wider range of implementation domains beyond cryptography on FPGAs.