ANÁLISE DE DESEMPENHO E ACELERAÇÃO DE HARDWARE APLICADO À CRIPTOGRAFIA: UM ESTUDO APOIADO NA LÓGICA PARACONSISTENTE

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1 ANÁLISE DE DESEMPENHO E ACELERAÇÃO DE HARDWARE APLICADO À CRIPTOGRAFIA: UM ESTUDO APOIADO NA LÓGICA PARACONSISTENTE André Gomes de Lira Muniz 1, Marcelo Nogueira 2, Fabio Vieira do Amaral 3 Abstract The present study is directed to the analysis of performance and hardware acceleration applied to encryption: supported paraconsistent. to achieve this, we developed a literature search identifying the types of cryptographic features and its measurement, establishing a selection between cryptographic methods to meet the need for a specific control for efficient and effective mitigation of the study. Keyword Acceleration, Performance Analyzer, Paraconsistent Logic INTRODUÇÃO Desde os primórdios dos tempos, líderes políticos buscaram métodos eficientes de comunicação para comandar seus exércitos e governar seus territórios. Focando a importância de não revelar seus segredos, motivou-se o desenvolvimento de códigos e cifras, sendo este processo chamado de criptografia. Em grego, kryptós significa secreto e grápho se refere à escrita, portanto, a criptografia pode ser definida como, a ciência de se escrever em código secreto (Paixão, 2003). Como disciplina científica, é a investigação de métodos e técnicas que podem ser usadas para esconder o conteúdo de uma mensagem, produzindo uma representação da mesma, ou seja, um criptograma que é incompreensível ao leitor desautorizado (Kahn, 1967). Partindo de uma visão holística, a história da criptografia é ampla em diversos aspectos. Segundo (Zancanella, 2001), um dos primeiros relatos da criptografia é o método de substituição utilizada pelo imperador Júlio César, conhecida por cifra de César. Desde então, diversos modelos foram criados, tendo importância significativa em vários segmentos como, aplicações militares e nos meio de transmissão de dados cuja informação pode conter dados secretos de um país. Na vertente computacional, a área da criptografia se desenvolveu rapidamente, incorporando complexos algoritmos matemáticos (Yoshida, 2003). Desta forma, ela foi adaptada pela informática para atingir o nível de segurança desejado nos dias de hoje pelos diversos serviços de comunicações digitais pessoais e comerciais (Batina et al., 2003). Neste procedimento evolutivo, uma grande preocupação ressurge na esfera da segurança da informação, e com ciência da sua importância, o presente artigo propõe uma leitura cuja base foca em uma análise de N cofatores aplicados sobre as informações provenientes de mecanismos criptográficos. De modo simplificado, a proposta apoia-se fundamentalmente em propor uma análise de desempenho e aceleração de hardware aplicado à criptografia. Em comparação com os projetos anteriores, foi utilizado um analisador de desempenho para identificar funções de "hotspot" através de um conjunto de benchmarks. A função de hotspot consome uma quantidade de tempo para a execução do algoritmo específico, sendo assim, remeteram-se estas funções em aceleradores de hardware para melhorar o desempenho. Por fim, para o embasamento científico e seus parâmetros, utilizou-se de uma ferramenta freeware desenvolvida por alunos do curso de pós-graduação em Engenharia de Software da Universidade Paulista - UNIP, campus Tatuapé baseada na Lógica Paraconsistente. É válido ratificar que este trabalho não aspira apresentar-se como uma solução definitiva para os problemas de segurança encontrados em um contexto geral, mas sim, pretende aprofundar-se como a aplicação correta de técnicas e ferramentas pode trazer benefícios para a segurança do ambiente computacional. RESUMO HISTÓRICO DA LÓGICA PARACONSISTENTE A Lógica Paraconsistente tem sua origem marcada pelos trabalhos elaborados e publicados em 1948, de modo independente, pelo polonês S. Jaskowski e o brasileiro N. C. A. Da Costa em Estes trabalhos pioneiros consideravam a possibilidade da contradição sem o perigo de trivialização. Da Costa desenvolveu vários sistemas paraconsistentes contendo todos os níveis lógicos usuais, e é considerado um 1 André Gomes de Lira Muniz - Universidade Paulista UNIP, Rua Antônio de Macedo, 505, , Parque São Jorge São Paulo - SP, Brazil, a.gdelira@gmail.com 2 Marcelo Nogueira Muniz - Universidade Paulista UNIP, Rua Antônio de Macedo, 505, , Parque São Jorge São Paulo - SP, Brazil, marcelo@noginfo.com 3 Fabio Vieira do Amaral Muniz - Universidade Paulista UNIP, Rua Antônio de Macedo, 505, , Parque São Jorge São Paulo - SP, Brazil, favamaral@gmail.com DOI /WCSEIT

2 dos criadores da Lógica Paraconsistente. Mais recentemente, J. M. Abe e outros pesquisadores têm desenvolvido pesquisas e aplicações para a Lógica Paraconsistente Anotada Evidencial Eτ no ramo da Ciência da Computação, Robótica, Inteligência Artificial, entre outros. ALGORITMOS PARA-ANALISADOR A metodologia desta pesquisa consiste em elaborar métodos de interpretação por meio da Lógica Paraconsistente Anotada Evidencial Eτ sendo que sua estrutura teórica e apresentada em trabalhos relevantes de pesquisas anteriores, como (Da Costa ET AL., 1999), (Filho, Abe, 2000) e em (Filho, Abe,, 2001). A Lógica Paraconsistente Anotada Evidencial Eτ e uma classe de Lógica Paraconsistente que considera proposições sendo representadas por valores de anotações. A partir dos conceitos básicos da Lógica Paraconsistente Anotada Evidencial Eτ criou-se o algoritmo denominado Para-Analisador que permite aplicações práticas em sistemas de análises na forma de programas computacionais usando linguagem convencional. Na Lógica Eτ, após estabelecer uma proposição p, é identificado os fatores que irão influenciá-la. Na sequência, estes fatores são parametrizados no intuito de identificar a importância destes nas decisões, e, por meio de especialistas, obter anotações para cada fator, atribuindo-lhes um grau de evidencia favorável (m) e um grau de evidencia desfavorável (λ), sem que seja complemento entre si, representando valores independentes e podem variar em limites mínimos a máximos, de 0 a 1, respectivamente, fornecendo assim, um referencial de acordo com o valor de controle definido pelo gestor e, este passível de ser ajustado conforme a necessidade. Uma forma de operacionalizar o tratamento de incertezas e através da representação dos reticulados associados à Lógica Paraconsistente Anotada Evidencial Eτ. Esta representação é realizada através da combinação do reticulado com o plano cartesiano, também conhecido como QUPC, quadrado unitário do plano cartesiano, demonstrado adiante. O método consiste em aplicar as técnicas de maximização nos graus de evidência favorável (m) de minimização nos graus de evidência desfavorável (λ) quando considerado o operador lógico OU (OR) de acordo com a anotação abaixo. (m1, λ1) OR (m2, λ2) = (max{m1, m2};{min{ λ1, λ2}). Em seguida, sobre este resultado, deve-se aplicar a minimização nos graus de evidência favorável, a maximização nos graus de evidência desfavorável quando considerado o operador lógico E (AND), conforme demonstrado a seguir. (m1, λ1) AND (m2, λ2) = (min{m1, m2};{max{ λ1, λ2}). Obtendo-se este resultado deve-se aplicar a definição do grau de certeza e do grau de incerteza. Grau de Certeza: Gcer(μ, λ) = μ - λ Grau de Incerteza: Ginc(μ, λ) = μ + λ 1 Dois valores limites externos e arbitrários (Vcve = Valor de controle de veracidade e Vcfa = Valor de controle de falsidade) determinam quando o grau de certeza resultante e alto o suficiente para que a proposição analisada seja considerada totalmente verdadeira ou totalmente falsa. Da mesma forma, dois valores limites externos e arbitrários (Vcic = Valor de controle de inconsistência e Vcpa = Valor de controle de paracompleteza) determinam quando o valor do grau de incerteza resultante da análise e tão alto que se pode considerar a proposição totalmente inconsistente ou totalmente paracompleta. FIGURA 1 VALORES LIMITES EXTERNOS ARBITRÁRIOS (FONTE: ABE, 2009, P.51). Após determinação dos quatro valores limites e dos resultados do grau de certeza e de incerteza e possível identificar o estado lógico resultante demonstrado adiante, e, através da utilização destes conceitos, chegamos à figura 1.3. FIGURA 2 DIAGRAMA COM OS GRAUS DE CERTEZA E DE INCERTEZA, COM VALORES AJUSTÁVEIS DE CONTROLE LIMITE INDICADOS NOS EIXOS (FONTE: ABE, 2009, P.52). Os estados lógicos que são representados pelas regiões que ocupam os vértices do reticulado são: Verdadeiro, Falso, Inconsistente e Paracompleto. Estes são denominados de estados lógicos extremos. Os estados lógicos de saída representados por regiões internas no reticulado que não são os estados lógicos extremos são denominados de estados lógicos não extremos. Cada estado lógico não extremo é nomeado conforme sua proximidade com os estados lógicos extremos. A seguir são apresentados os quatro estados lógicos extremos e os oito não extremos que compõem o reticulado da figura

3 GRUPOS DE ESPECIALISTAS FIGURA 3 ESTADOS LÓGICOS (FONTE: ABE, 2009, P.53). Os seguintes grupos de especialistas foram considerados: Grupo Grupo A Grupo B Grupo C TABELA 1 GRUPO DE ESPECIALISTAS E SEUS REPRESENTANTES. Representante Analista de segurança com conhecimentos em diferentes aspectos de segurança. Consultores de segurança, especialista em aspectos criptográficos. Professores, com conhecimentos em segurança da informação. Figura 4 Estados lógicos não extremos (fonte: Abe, 2009, p.53). FIGURA 5 DIVISÃO DO QUPC EM 12 REGIÕES (FONTE: ABE, 2009, P.54). DEFINIÇÕES DOS FATORES AVALIADOS PARA CLASSIFICAÇÃO CRIPTOGRÁFICA Para a presente pesquisa foram levantados os seguintes fatores: TABELA 1 GRUPO DE ESPECIALISTAS E SEUS REPRESENTANTES. Código Fator Descrição F1 F2 F3 F4 Complexidades computacionais Requisitos de memória Velocidades de processamento Funções criptográficas Complexidade computacional corresponde a todos os cofatores que caracterizam a implementação de um determinado algoritmo, por exemplo, a memória necessária. O mais importante entre os outros 3 fatores, o mesmo pode ser tornar o fator trivial na escolha algorítmica, pois influencia diretamente o desempenho criptográfico. Fator essencial para o sucesso e está diretamente ligada à velocidade em que se consegue processá-lo. Todos os algoritmos criptográficos possuem um conjunto de estruturas e funções criptográficas em comum. CONSTRUÇÕES DA BASE DE DADOS A base de dados foi elaborada através de soluções assistidas por hardware para melhorar o desempenho e maximizar a segurança da informação através da criptografia computacional entre empresas e sistemas. A escolha dos algoritmos computacionais se faz através de sua popularidade e estrutura, após seleção foram realizado um estudo detalhado e testes aprofundados, com fulcro nas referências bibliográficas infra mencionadas, ou seja, com base nas obras literárias específicas e experiências com base de dados selecionados. Neste contexto, foram coletados sete algoritmos de criptografia como nossos benchmarks: AES, 3DES, IDEA, Blowfish, ECC e RSA (NIST, 2001), (Rijmen1997), (Rivest, 1978). Utilizando a ferramenta de software Vtune (Vtune, 2007) como analisador de desempenho para examinar a função de hotspot e identificar às funções, demonstrando as porcentagens das funções de ponto de acesso que ocupam o total de tempo de execução de cada benchmark, conforme figura abaixo. FIGURA 6 TAXA DE EXECUÇÃO DA FUNÇÃO HOTSPOT (S) Após a construção de uma base de dados e a avaliação comparativa de todos os algoritmos proposto, o próprio foi encaminhado para 3 especialistas, um de cada grupo, e os mesmo puderam realizer os devidos apontamento sobre os graus de evidência favoráveis (μ) e graus de evidência desfavoráveis (λ), de cada requisito criptográfico: 217

4 ANÁLISE DOS RESULTADOS Por meio dos resultados diagnosticados pelo ParaAnalisador.exe, é gerada a representação no QUPC, o qual apresenta os estados lógicos propostos pela Lógica Paraconsistente. Os valores dos limites externos e arbitrários estabelecidos para cada proposição é de 0,50, e a interpretação do ParaAnalisador.exe para o grau de veracidade ficará conforme a tabela abaixo. Para que a proposição seja considerada verdadeira o valor do grau de certeza deverá ser maior ou igual a 0,50. Caso o grau de certeza seja menor ou igual a -0,50 a proposição é considerada falsa. Estando o grau de certeza situado entre - 0,50 e 0,50 a proposição se mostra inconclusiva. Vale ressaltar que os valores analisados pela ferramenta ParaAnalisador.exe e representativos da Lógica Paraconsistente serão representado no quadro unitário do plano cartesiano de resolução 4, que compreende os estados lógicos propostos. FIGURA 46 - REPRESENTAÇÃO QUPC DE RESOLUÇÃO DA PROPOSIÇÃO AES ENCRYPT FIGURA 57 - REPRESENTAÇÃO QUPC DE RESOLUÇÃO DA PROPOSIÇÃO IDEA FIGURA 68 - REPRESENTAÇÃO QUPC DE RESOLUÇÃO DA PROPOSIÇÃO BLOWFISH FIGURA 14 - REPRESENTAÇÃO QUPC DE RESOLUÇÃO DA PROPOSIÇÃO 3DES. FIGURA 79 - REPRESENTAÇÃO QUPC DE RESOLUÇÃO DA PROPOSIÇÃO RSA FIGURA 24 - REPRESENTAÇÃO QUPC DE RESOLUÇÃO DA PROPOSIÇÃO AES DECRYPT FIGURA 35 - REPRESENTAÇÃO QUPC DE RESOLUÇÃO DA PROPOSIÇÃO MD5 Analisando a representação QUPC de todas as proposições, conclui-se que o nível de certeza dos especialistas em relação ao nível de incerteza tende a inconsistência, mesmo que os fatores tendem a ser verdadeiro e, para que seja possível tomar uma decisão, os dados deveriam ser reavaliados. Em uma análise clínica, tendo uma ótica das taxas de execução que foram demostradas na Figura de Taxa de execução da função Hotspot, podemos ratificar que o tempo de execução de ponto de acesso à conta de funções para a maioria do total tempo de execução dos algoritmos de estudos tem o seguinte cenário: Com relação ao 3DES e AES_DECRYPT, suas funções ocupam mais de 80% do tempo de execução perante o algoritmo. Para AES_Encrypt, Blowfish, IDEA, e RSA, o 218

5 percentual também alcança ou excede a tangente de 67%. Desta forma, considerado o custo de implementação de hardware, os algoritmos AES e RSA seriam boas escolhas para fazermos a aceleração de hardware, pois representa 78,5% e 67,6 do tempo total de execução. Quando comparado com os demais algoritmos 3DES, Blowfish, IDEA, MD5, e RC5, suas sínteses através da análise da ferramenta Vtune, não representa uma escolha satisfatória pelo custo de hardware. Por fim, ao estudar a aceleração de hardware, notase que embora as instruções sejam executadas em ordem serial se descobrir que não há dependência de dados entre o par de instruções, pode-se executá-los em paralelo e colocálos no mesmo estado finito. Comparando as métricas, os resultados indicam que, em média, podemos alcançar uma melhoria de 2,9 desempenhos para RSA, 4,5 para a AES Encryption, e 5,9 para AES descriptografia, separadamente, em termos do tempo total de execução. CONSIDERAÇÕES FINAIS Este estudo teve como objeto a projeção, a implementação e a avaliação com consequente aceleração de hardware para os algoritmos criptográficos. No desenvolvimento do mesmo, percebe-se que os usos de metáforas permitiram obter uma abstração referente ao uso de novos métodos criptográficos em um ambiente relativamente hostil, com dados extremamente variáveis, mas com poucas diferenças entre seus requisitos. Os resultados obtidos com as realizações dos testes utilizando algoritmos criptográficos permitem verificar a extrema adequação do uso de translações mais abrangentes sobre sua aplicação, quebrando o paradigma da lógica clássica. Optou-se neste artigo a não relatar uma análise de sensibilidade dos parâmetros, uma vez que acredita que isso deverá ser feito somente após a aplicação dos algoritmos em outros problemas e situações, permitindo uma análise mais completa. Entretanto, os testes efetuados permitem apontar ao leitor qual a importância e o impacto parcial da maior parte dos parâmetros apresentados utilizando à lógica não clássica. Mais ainda, apontaram para a importância do uso de uma visão mais completa referente à segurança da informação, na proposição de novos modelos. Com o resultado das comparações entre os algoritmos, à análise de desempenho e aceleração, podemos afirmar que mesmo com a escolha de um desde algoritmos a partir da análise feita, os demais também têm uma importância significativa, variando de ambiente para ambiente e para qual função será implementado. A escolha em si de x, y ou z algoritmo é muito difícil, mesmo apresentando todos os critérios propostos, teve e precisa se adequar a toda a implementação necessária que visam as melhores práticas. Entretanto, com o resultado apresentado, certamente chega-se a algumas conclusões, ou seja, partindo do critério em diagnosticar o algoritmo em relação ao índice de certeza, pode-se concluir que a viabilidade na adoção do 3DES, tem um estado lógico resultante verdadeiro, nos mostrando uma decisão viável 3DES 76% de certeza, para 74% AES Decrypt, 64% AES Encrypt, 64% RSA, 61% MD5, 61% IDEA e 58% Blowfish. Para maior diagnóstico, é trivial que seja realizado estudos posteriores comparando mais detalhadamente os algoritmos propostos para melhor explicitar quais são as diferenças e suas vantagens na visão holística da lógica paraconsistente. Por fim, como contribuição acadêmica, espera-se que este trabalho desperte interesse de outros acadêmicos pela pesquisa sobre segurança na informática, mais precisamente sobre criptografia aplicada. REFERENCES [1] ABE, J. M., Fundamentos da lógica anotada f. 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