Ανάπτυξη σε FPGA συστήματος βασισμένου σε επεξεργαστή ARM και pmod ESP32 για κρυπτογραφημένη ασύρματη επικοινωνία

• Main Author: Μπαλκόνκη, Αλέξανδρος
• Other Authors: Balkonis, Alexandros
• Language: Greek
• Published: 2021
• Subjects: Κρυπτονομίσματα; Μικροελεγκτές; Κρυπτογράφηση; FPGA; Blockchain; Microcontrollers

Την 1η Ιανουαρίου του 1983, γεννήθηκε αυτό που στον κλάδο της πληροφορικής είναι γνωστό ως “WEB1”, η πρώτη μορφή του Παγκόσμιου Ιστού που ξέρουμε σήμερα. Μια “read only” έκδοση του διαδικτύου, την οποία ο μέσος χρήστης δεν μπορούσε να επιρρεάσει με οποιονδήποτε τρόπο, παρά μόνο να διαβάσει την πληροφορία που ελάχιστη διανομείς μπορούσαν να αναρτήσουν σε αυτό. Δεκαέξι χρόνια μετά μια “read-write” έκδοση του παγκόσμιου ιστού άρχισε να εμφανίζεται με μεγάλες πλατφόρμες όπως, Facebook, YouTube, Google και πολλές άλλες, να δίνουν την δυνατότητα στον χρήστη να αλληλοεπιδρά με το διαδίκτυο σε καθημερινή βάση. Τα τελευταία χρόνια το πιθανό “WEB3” έχει αρχίσει να εμφανίζεται και αποτελεί αντικείμενο ενδιαφέροντος για όλο και περισσότερους βιομηχανικούς κλάδους. Η νέα αυτή αναβάθμιση του διαδικτύου αποκεντροποιεί τον Παγκόσμιο Ιστό και δίνει πλήρη έλεγχο στον χρήστη, προσφέροντάς του την ευκαιρία να έρθει σε επικοινωνία με άλλους χρήστες χωρίς την απαίτηση κάποιου μεσάζοντα. Η έλλειψη κεντρικής αρχής στο διαδίκτυο, που προκαλεί η νέα αυτή αναβάθμιση, καθιστά ιδιαίτερα αναγκαία την ασφαλή περιήγησή του. Η ασφάλεια αυτή εμφανίζεται στην μορφή των κρυπτογραφικών συστημάτων. Το πιο διαδεδομένο κρυπτογραφικό σύστημα στο “WEB3” είναι το Blockchain. Σκοπός αυτής της διπλωματικής είναι, να ενσωματώσουμε αυτήν την τεχνολογία στους περιορισμένους πόρους ενός FPGA για την δημιουργία ενός μικροελεγκτή γενικής χρήσεως, με πολλές επιλογές αναβάθμισης και επέκτασης. Ένας τέτοιος μικροελεγκτής θα δώσει την δυνατότητα σε ηλεκτρικές συσκευές περιορισμένων δυνατοτήτων, να αλληλοεπιδράσουν με ασφάλεια με το διαδίκτυο, αξιοποιώντας την πλήρη ελευθερία του “WEB3”. Πιο συγκεκριμένα το FPGA που χρησιμοποιείται σε αυτήν την διπλωματική είναι το ARTY S7-50 της σειράς Spartan7 της Xilinx. Στο FPGA εξομοιώθηκε ο μικροεπεξεργαστής Cortex M3 της Arm, ενώ η επικοινωνία με το ασύρματο δίκτυο εξασφαλίζεται μέσω του Wi-Fi module Pmod ESP32 της Espressif Systems, σε συνεργασία με την Digilent. Τέλος για την ασφάλεια του μικροελεγκτή χρησιμοποιήθηκε ο Αλγόριθμος Ψηφιακής Υπογραφής Ελλειπτικών Καμπυλών (ECDSA) σε συνδυασμό με την συνάρτηση κατακερματισμού SHA256 (Ο συνδυασμός αυτός χρησιμοποιείται από το γνωστό κρυπτονόμισμα Bitcoin). Στις δυνατότητες του μικροελεγκτή συμπεριλαμβάνεται: • Σύνδεση σε ασύρματο δίκτυο Wi-Fi. • Δυνατότητα χρήσης ως πομπός δικτύου. • Real time επικοινωνία με μικροελεγκτή μέσω Uart. • Βασικό εύχρηστο Serial Terminal Interface για δοκιμές. • Μεταφορά αρχείων από/προς διαδικτυακό server. • Real time επικοινωνία με διαδικτυακό server. • Αποθήκευση αρχείων στην Flash μέσω του SPIFFS. • Δημιουργία Δημόσιου κλειδιού κατόπιν καταχώρησης Ιδιωτικού Κλειδιού (ECC secp256k1). • Δημιουργία κατακερματισμένων αρχείων/μηνυμάτων (SHA256). • Δημιουργία ψηφιακής υπογραφής για αρχείο/φάκελο. • Βεβαίωση ακεραιότητας ψηφιακής υπογραφής άλλου χρήστη. • Περισσότερα από 150 GPIOs για επέκταση του συστήματος. • Ελεύθερη Flash για εξειδικευμένο Firmware στον μικροελεγκτή.