Hardware design of cryptographic accelerators

With the rapid growth of the Internet and digital communications, the volume of sensitive electronic transactions being transferred and stored over and on insecure media has increased dramatically in recent years. The growing demand for cryptographic systems to secure this data, across a multitude of platforms, ranging from large servers to small mobile devices and smart cards, has necessitated research into low cost, flexible and secure solutions. As constraints on architectures such as area, speed and power become key factors in choosing a cryptosystem, methods for speeding up the development and evaluation process are necessary. This thesis investigates flexible hardware architectures for the main components of a cryptographic system. Dedicated hardware accelerators can provide significant performance improvements when compared to implementations on general purpose processors. Each of the designs proposed are analysed in terms of speed, area, power, energy and efficiency. Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are chosen as the development platform due to their fast development time and reconfigurable nature. Firstly, a reconfigurable architecture for performing elliptic curve point scalar multiplication on an FPGA is presented. Elliptic curve cryptography is one such method to secure data, offering similar security levels to traditional systems, such as RSA, but with smaller key sizes, translating into lower memory and bandwidth requirements. The architecture is implemented using different underlying algorithms and coordinates for dedicated Double-and-Add algorithms, twisted Edwards algorithms and SPA secure algorithms, and its power consumption and energy on an FPGA measured. Hardware implementation results for these new algorithms are compared against their software counterparts and the best choices for minimum area-time and area-energy circuits are then identified and examined for larger key and field sizes. Secondly, implementation methods for another component of a cryptographic system, namely hash functions, developed in the recently concluded SHA-3 hash competition are presented. Various designs from the three rounds of the NIST run competition are implemented on FPGA along with an interface to allow fair comparison of the different hash functions when operating in a standardised and constrained environment. Different methods of implementation for the designs and their subsequent performance is examined in terms of throughput, area and energy costs using various constraint metrics. Comparing many different implementation methods and algorithms is nontrivial. Another aim of this thesis is the development of generic interfaces used both to reduce implementation and test time and also to enable fair baseline comparisons of different algorithms when operating in a standardised and constrained environment. Finally, a hardware-software co-design cryptographic architecture is presented. This architecture is capable of supporting multiple types of cryptographic algorithms and is described through an application for performing public key cryptography, namely the Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA). This architecture makes use of the elliptic curve architecture and the hash functions described previously. These components, along with a random number generator, provide hardware acceleration for a Microblaze based cryptographic system. The trade-off in terms of performance for flexibility is discussed using dedicated software, and hardware-software co-design implementations of the elliptic curve point scalar multiplication block. Results are then presented in terms of the overall cryptographic system.

A Structured Approach to Simulate Manufacturing System In Virtual Environment

Nowadays, the realization of the Virtual Factory (VF) is the strategic goal of many manufacturing enterprises for the coming years. The industrial scenario is characterized by the dynamics of innovations increment and the product life cycle became shorter. Furthermore products and the corresponding manufacturing processes get more and more complex. Therefore, companies need new methods for the planning of manufacturing systems.
To date, the efforts have focused on the creation of an integrated environment to design and manage the manufacturing process of a new product. The future goal is to integrate Virtual Reality (VR) tools into the Product Lifecycle Management of the manufacturing industries.
In order to realize this goal the authors have conducted a study to perform VF simulation steps for a supplier of Industrial Automation Systems and have provided a structured approach focusing on interaction between simulation software and VR hardware tools in order to simulate both robotic and
manual work cells.
The first results of the study in progress have been carried out in the VR Laboratory of the Competence Regional Centre for the qualification of the Transportation Systems that has been founded by Campania Region.

Preparing for disaster: a comparative analysis of education for critical infrastructure collapse

This article explores policy approaches to educating populations for potential critical infrastructure collapse in five different countries: the UK, the US, Germany, Japan and New Zealand. ‘Critical infrastructure’ is not always easy to define, and indeed is defined slightly differently across countries – it includes entities vital to life, such as utilities (water, energy), transportation systems and communications, and may also include social and cultural infrastructure. The article is a mapping exercise of different approaches to critical infrastructure protection and preparedness education by the five countries. The exercise facilitates a comparison of the countries and enables us to identify distinctive characteristics of each country’s approach. We argue that contrary to what most scholars of security have argued, these national approaches diverge greatly, suggesting that they are shaped more by internal politics and culture than by global approaches.

An optimal scheduling problem in distribution networks considering V2G

This paper addresses the problem of energy resource scheduling. An aggregator will manage all distributed resources connected to its distribution network, including distributed generation based on renewable energy resources, demand response, storage systems, and electrical gridable vehicles. The use of gridable vehicles will have a significant impact on power systems management, especially in distribution networks. Therefore, the inclusion of vehicles in the optimal scheduling problem will be very important in future network management. The proposed particle swarm optimization approach is compared with a reference methodology based on mixed integer non-linear programming, implemented in GAMS, to evaluate the effectiveness of the proposed methodology. The paper includes a case study that consider a 32 bus distribution network with 66 distributed generators, 32 loads and 50 electric vehicles.

Análise de eficiência energética de transportes rodoviários

Projecto para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Informática e de computadores

Estudo de viabilidade de utilização de VLC em infra-estruturas ITS baseadas em semáforos rodoviários a LEDs

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Simulation and dynamics of freeway traffic

This paper presents the new package entitled Simulator of Intelligent Transportation Systems (SITS) and a computational oriented analysis of traffic dynamics. The SITS adopts a microscopic simulation approach to reproduce real traffic conditions considering different types of vehicles, drivers and roads. A set of experiments with the SITS reveal the dynamic phenomena exhibited by this kind of system. For this purpose a modelling formalism is developed that embeds the statistics and the Laplace transform. The results make possible the adoption of classical system theory tools and point out that it is possible to study traffic systems taking advantage of the knowledge gathered with automatic control algorithms. A complementary perspective for the analysis of the traffic flow is also quantified through the entropy measure.

Using genetic algorithms for the single allocation hub location problem

Hub location problem is an NP-hard problem that frequently arises in the design of transportation and distribution systems, postal delivery networks, and airline passenger flow. This work focuses on the Single Allocation Hub Location Problem (SAHLP). Genetic Algorithms (GAs) for the capacitated and uncapacitated variants of the SAHLP based on new chromosome representations and crossover operators are explored. The GAs is tested on two well-known sets of real-world problems with up to 200 nodes. The obtained results are very promising. For most of the test problems the GA obtains improved or best-known solutions and the computational time remains low. The proposed GAs can easily be extended to other variants of location problems arising in network design planning in transportation systems.

Changement identitaire et revendications régionalistes du Kansaï au Japon

Depuis quelque temps, au Japon, on utilise de plus en plus le terme « Kansaï » pour désigner la région du Kinki (littéralement « le voisinage de la capitale »). Cette thèse propose d’analyser l’émergence de cette entité régionale et de son discours culturel dans le but de pallier le manque de recherches antérieures sur la diversité socioculturelle et le régionalisme au Japon. Il y existe, d’une part, une volonté de considérer le Japon comme une entité homogène, et d’autre part, un contexte dans lequel le Japon lui-même prône l’homogénéité de son peuple. Historiquement, ces énoncés ont été réfutés à plusieurs reprises par différents chercheurs et organismes. Entre-temps, sur le plan régional, la diversité devient de moins en moins clairement observable dû à l’urbanisation, aux moyens de transport, à la migration interne et au développement des médias de masse. Cette situation à l'époque post-industrielle a engendré aujourd’hui le discours régionaliste du Kansaï. Dans ce contexte, cette étude porte spécifiquement sur le discours culturel concernant la région et la population du Kansaï, c’est-à-dire la région Kinki, où étaient situés les anciennes capitales et le berceau de l’État japonais du Yamato. On observe une modification et une transformation de cette région depuis l’époque Tokugawa. À partir de l’époque Meiji, l'intégration spatiale de l’archipel japonais est devenue indissociable de l’émergence de l’État soi-disant « moderne ». En outre, une distinction existe toujours entre le Japon de l’Ouest (Kansaï) et le Japon de l’Est (Kantō) qui repose sur des différences de coutumes et de mentalités, ainsi que sur des variations linguistiques : une dichotomie mieux représentée de nos jours par l’opposition entre les villes d’Osaka et de Tokyo. Aujourd’hui, le Japon permettre une centralisation continuelle à Tokyo et l’équilibre du pouvoir sur le plan économique s’en trouve fragilisé. Dans cette thèse, j’examine l’émergence de l’entité Kansaï dans ce contexte socio-économique, depuis l’arrivée du phénomène que les Kansaïens appellent « l’affaissement de terrain » du Kansaï, le jibanchinka, jusqu’aux revendications récentes pour l’introduction d’un système quasi-fédéraliste, le dōshū-sei, dans le contexte du développement régional déséquilibré du pays. En m'appuyant sur mon enquête effectuée sur terrain auprès des gens du Kansaï, je soutiens que leur discours régionaliste est bel et bien existant, mais ne repose pas sur l’homogénéité de la région. Il repose plutôt sur la position du Kansaï en tant qu’antithèse à la tendance centralisatrice perçue par les Kansaïens comme étant plutôt de nature tokyoïte. Leur discours met l’accent sur la diversité existant à l’intérieur même de la région tout en soulignant que celle-ci constitue l’entité kansaïenne. Mots-clés : Japon, Kinki, Kansai, Osaka, Nihonjinron, région, villes, discours culturel, État-nation, multiculturalisme, Oda Sakunosuke, Tanizaki Jun’ichiro.

Die Auswirkungen von Hochgeschwindigkeitsverkehr auf die Erreichbarkeit der Regionen in Deutschland - dargestellt am Beispiel der Magnetschwebebahn Transrapid

Nach 35 Jahren Entwicklungszeit wurde im Jahr 2004 in Shanghai die erste kommerzielle Anwendung des innovativen Magnetbahnsystems Transrapid in Betrieb genommen; in Deutschland konnte bislang keine Transrapid-Strecke realisiert werden, obwohl dieses System entsprechend den Ergebnissen einer vom damaligen Bundesverkehrsminister beauftragten Studie aus dem Jahr 1972 für den Einsatz in Deutschland entwickelt wurde. Beim Transrapid handelt es sich um eine echte Produkt-Innovation im Bahnverkehr und nicht um eine Weiterentwicklung oder Optimierung wie beim ICE, und ist somit als innovativer Verkehrsträger der Zukunft in die langfristige Entwicklung der Verkehrssysteme einzufügen. Die modernen HGV Bahnsysteme (Shinkansen/TGV/ICE) hingegen sind, ähnlich der Clipper in der Phase der Segelschifffahrt im Übergang zum Dampfschiff, letzte Abwehrentwicklungen eines am Zenit angekommenen Schienen-Verkehrssystems. Die Einführung von Innovationen in einen geschlossenen Markt stellt sich als schwierig dar, da sie zu einem Bruch innerhalb eines etablierten Systems führen. Somit wird in der vorliegenden Arbeit im ersten Teil der Themenkomplex Innovation und die Einordnung der Magnet-Schwebe-Technologie in diese langfristig strukturierten Abläufe untersucht und dargestellt. Das Transrapid-Projekt ist demzufolge in eine zeitstrukturelle Zyklizität einzuordnen, die dafür spricht, die Realisierung des Gesamtprojektes in eine Zeitspanne von 20 bis 30 Jahre zu verlagern. Im zweiten Teil wird auf der Basis einer regionalstrukturellen Analyse der Bundesrepublik Deutschland ein mögliches Transrapidnetz entworfen und die in diesem Netz möglichen Reisezeiten simuliert. Weiterhin werden die Veränderungen in den Erreichbarkeiten der einzelnen Regionen aufgrund ihrer Erschließung durch das Transrapidnetz simuliert und grafisch dargestellt. Die vorliegende Analyse der zeitlichen Feinstruktur eines perspektiven Transrapidnetzes ist ein modellhafter Orientierungsrahmen für die Objektivierung von Zeitvorteilen einer abgestimmten Infrastruktur im Vergleich zu real möglichen Reisezeiten innerhalb Deutschlands mit den gegebenen Verkehrsträgern Schiene, Straße, Luft. So würde der Einsatz des Transrapid auf einem entsprechenden eigenständigen Netz die dezentrale Konzentration von Agglomerationen in Deutschland fördern und im Durchschnitt annähernd 1 h kürzere Reisezeiten als mit den aktuellen Verkehrsträgern ermöglichen. Zusätzlich wird noch ein Ausblick über mögliche Realisierungsschritte eines Gesamtnetzes gegeben und die aufgetretenen Schwierigkeiten bei der Einführung des innovativen Verkehrssystems Transrapid dargestellt.

Estudio de planeación estratégica : ¿qué pasará con la movilidad para el 2018 en Bogotá, con el surgimiento del sistema de transporte integrado?

En los últimos 15 años se ha discutido sobre las posibles soluciones a las dificultades del sistema integrado de transporte público a las que se enfrenta Bogotá. Restricciones como “Pico y Placa”, el día del “No carro”, sistemas masivos de transporte y la posibilidad de implementar el metro han sido alternativas que no han llegado a su fin de ejecución pero tampoco han logrado formalizarse y aplicarse de tal manera que favorezcan a la movilidad urbana. Nuestro centro de análisis será la movilidad urbana compuesta por diferentes variables que serán estudiadas a nivel macro como la capacidad de la malla vial a nivel de expansión territorial en la ciudad, el parque automotor, el manejo de la administración de la alcaldía en las licitaciones y chatarrización tanto a nivel micro como la cultura de movilidad y la influencia en la calidad de vida por esta tecnificación de transporte. Existen muchos estudios sobre los problemas de movilidad tanto en Latino América como en países Europeos, sin embargo lo que se pretende en este estudio es un planteamiento más general para una concertación de soluciones innovadoras y eficaces en la dirección técnica y política para una realidad territorial y urbana en calidad de servicio.

Articulación entre los sistemas de transporte y el desarrollo urbano: análisis de los cambios físico-espaciales generados a partir de la implementación del Portal Suba de Transmilenio en Bogotá en el periodo 1998-2010

Desde la inauguración del Portal Suba de TransMilenio, han sido evidentes los cambios físico-espaciales en el sector donde fue implementado, materializándose en nuevos proyectos residenciales de alta densidad, centros comerciales, supermercados de grandes superficies, espacios públicos, y vías locales y principales, en un sector que antes de la aparición del portal se caracterizaba principalmente por ser una zona agro-industrial dedicada al cultivo de flores. No obstante, tales intervenciones parecen estar desarticuladas entre si. Por ejemplo, el centro comercial y el supermercado siguen un patrón de construcción cerrada, sin interacción abierta con el espacio público exterior y sin establecer otro tipo de dinámicas urbanas. Por otra parte, puede decirse que gracias a la implementación del portal, la estructura ecológica principal ha sufrido un deterioro importante siendo observable en la disminución significativa de zonas verdes así como en el descuido de los humedales localizados en esta localidad. Por lo tanto, es importante hacer hincapié en la relación sistemas de transporte – desarrollo urbano en tanto que son agentes transformadores del entorno, generadores de desarrollo y bienestar social, y catalizadores de espacios públicos mejor diseñados y más amables, de ser bien planificados y ejecutados, ya que, caso contrario, podrían acarrear efectos contraproducentes en cuanto a la articulación física de la ciudad, accesibilidad, segregación social y el impacto negativo sobre el medio ambiente.