A segurança nas telecomunicações é alvo constante de estudos, seja para garantir qualidade de serviço a clientes ou assegurar a confidencialidade dos dados e da comunicação. Para assegurar que, quem põe em perigo estes requisitos não vença a corrida, é necessário encontrar métodos que garantam a segurança nas telecomunicações. Neste contexto, o nível físico explora as propriedades físicas quer do sinal, quer do meio físico, meio onde é realizada a comunicação. Os métodos do nível físico trazem a vantagem de poderem ser acrescentados ao sistema, não necessitando, por vezes, de alterações ao sistema clássico já montado, podendo complementá-lo. A solução que esta dissertação promove, é a conceção dum sistema de segurança a nível físico, fundamentado através do formalismo quântico, denominado waving. O waving permite a criação dum sinal real de qubits que surgirá do somatório de vários qubits ortogonais entre si. Este sinal poderá conter mais do que uma mensagem codificada, sendo que o sinal mantém uma dimensão única. Como prova de conceito, foi estabelecida uma comunicação através dum pro- tocolo TCP/IP entre um computador e um drone, com o objetivo de colocar o drone a realizar uma missão de voo após descodificação e extração da mensagem do sinal. Este exercício prático valida a possibilidade do uso de codificação waving nos sistemas de telecomunicações atuais.
A segurança nas telecomunicações é alvo constante de estudos, seja para garantir qualidade de serviço a clientes ou assegurar a confidencialidade dos dados e da comunicação. Para assegurar que, quem põe em perigo estes requisitos não vença a corrida, é necessário encontrar métodos que garantam a segurança nas telecomunicações. Neste contexto, o nível físico explora as propriedades físicas quer do sinal, quer do meio físico, meio onde é realizada a comunicação. Os métodos do nível físico trazem a vantagem de poderem ser acrescentados ao sistema, não necessitando, por vezes, de alterações ao sistema clássico já montado, podendo complementá-lo. A solução que esta dissertação promove, é a conceção dum sistema de segurança a nível físico, fundamentado através do formalismo quântico, denominado waving. O waving permite a criação dum sinal real de qubits que surgirá do somatório de vários qubits ortogonais entre si. Este sinal poderá conter mais do que uma mensagem codificada, sendo que o sinal mantém uma dimensão única. Como prova de conceito, foi estabelecida uma comunicação através dum pro- tocolo TCP/IP entre um computador e um drone, com o objetivo de colocar o drone a realizar uma missão de voo após descodificação e extração da mensagem do sinal. Este exercício prático valida a possibilidade do uso de codificação waving nos sistemas de telecomunicações atuais.
A elevada dependência das tecnologias de informação que se constata em quase todos setores de atividade, conduz à necessidade de aprimoramento de segurança nas redes de tele- comunicações. Muito se tem feito para o aprimoramento da segurança no nível de aplicação. Os siste- mas de autenticação são cada vez mais robustos e os algoritmos de encriptação são cada vez mais complexos. Mas o crescente aumento da capacidade dos processadores, a utilização de clouds para o processamento concorrente de informação, bem como o advento da computação quântica, deixam claro que é apenas uma questão de tempo para que qualquer algoritmo de encriptação seja quebrado. Por outro lado, uma informação encriptada pode ser detectada por um agente externo e mesmo que não consiga decifrar pode usar técnicas de processamento de sinal para compro- meter a integridade ou a disponibilidade da mesma. Assim sendo, não se pode confiar a segurança apenas à camada de aplicação, antes deve- se ter uma abordagem de segurança em profundidade. Portanto, a segurança no nível físico com recurso ao formalismo quântico surge como uma proposta complementar de segurança. A presente dissertação explorará a propriedade da sobreposição de estados lógicos dos qubits, para alterar a probabilidade de observação dos sinais transmitidos, de modo a tornar o sinal indetetável e indecifrável sem o conhecimento prévio da chave criptográfica. Para que seja um sistema de segurança forte, os qubits serão representados por wavelets pseudoaleató- rias com todas as caraterísticas estatísticas de ruído branco gaussiano.
As assinaturas digitais são de fundamental importância para as comunicações eletrônicas no mundo todo por garantirem a integridade e autenticidade da informação. Com os avanços da ciência nas áreas da mecânica quântica e a introdução destes novos conceitos nas telecomunicações, a segurança da informação também precisou evoluir e cada vez mais se tem buscado novos sistemas de segurança que forneçam maior integridade e autenticidade que os sistemas clássicos. Dessa forma o objetivo deste trabalho é utilizar as propriedades do problema QSCDff , para a criação de um protocolo de assinatura quântica de mensagens. O problema QSCD ff possui propriedades matemáticas e computacionais para garantir a integridade e autenticidade das assinaturas geradas. O protocolo proposto faz uso de chaves descritas na forma de estados quânticos construídos a partir de permutações de um grupo simétrico e de uma função de hash para a compressão da mensagem original. Como entrada o protocolo recebe a mensagem clássica e uma chave privada. Para a geração do estado quântico da assinatura utiliza-se uma permutação como chave privada e o hash da mensagem. Gerar tal assinatura sem ter uma chave privada consiste em resolver um problema de encontrar automorfismos não triviais de grafos. A validação deste estado é feita através da aplicação do algoritmo quântico de busca de Grover. Por fim é mostrado que a probabilidade de falsificação da assinatura é negligenciável dado o número de cópias do estado da assinatura.
[pt] Os protocolos de comunicação quântica são essenciais para a transmissão segura de informações, utilizando os princípios da mecânica quântica para alcançar uma segurança inatingível por sistemas criptográficos clássicos. Diferentemente dos métodos tradicionais que dependem de chaves criptográficas convencionais, os protocolos quânticos exploram propriedades únicas dos sistemas quânticos para garantir a segurança da comunicação. No entanto, a implementação prática da distribuição quântica de chaves (QKD) é desafiada por erros introduzidos durante a geração e transmissão de estados quânticos e pela possível presença de espiões. Esta dissertação explora algumas das estratégias mais usadas para estimativa de erros, correção de erros e amplificação de privacidade em sistemas de QKD. Por meio de uma revisão bibliográfica e simulações abrangentes, o estudo avalia as técnicas mais eficazes em cada área. O objetivo final desta análise é desenvolver um método a ser implementado na Rede Rio Quântica, uma rede de comunicação quântica metropolitana que interliga as instituições PUC-Rio, CBPF e UFRJ por meio de fibras ópticas e a UFF através de um canal de espaço livre. Os resultados destacam a importância de otimizar as medidas de correção de erros e privacidade para melhorar a confiabilidade e a segurança das redes de comunicação quântica.
Os últimos anos trouxeram um crescimento das comunicações sem fios, o que se refletiu numa maior preocupação com a segurança dos dados transmitidos entre dispositivos. Apesar da criptografia providenciar níveis satisfatórios de segurança, não é inquebrável, pelo que não se consegue garantir que não haja alguma fuga de informação. Nesse sentido, têm sido desenvolvidos métodos de introduzir segurança também na camada física, como complemento à segurança já existente.Recentemente, foi proposto um esquema que recorre a uma chave aleatória de interleaving, que é usada para baralhar a mensagem a transmitir, e que é, posteriormente, anexada à mesma, sendo ativado um jammer durante a transmissão dos bits correspondentes à chave gerada, de forma a criar uma vantagem em relação a um possível eavesdropper. Paralelamente a este, foi desenvolvido um esquema idêntico, mas em que os bits correspondentes à chave são apagados depois da mensagem ser codificada. Este último esquema parte do pressuposto da existência de uma vantagem do recetor legítimo face a um possível eavesdropper, expressa em termos de uma melhor relação sinal-ruído (por exemplo, a transmissão entre os intervenientes legítimos é realizada dentro de uma sala, garantindo que não existe um eavesdropper dentro da mesma), permitindo ao recetor legítimo a recuperação correta da chave, o que não é possível em situações de comunicação mais degradadas. Nesta dissertação é realizada a prova de conceito com a implementação em ambiente real de ambos os métodos em plataformas de rádio definido por software (SDR – Software Defined Radio), programadas com recurso ao MATLAB/Simulink. São, também, apresentados cenários de teste adequados, onde foram realizadas experiências que mostram a existência de um acréscimo de segurança introduzido por estes esquemas num cenário real. No decorrer da implementação, foi, ainda, proposta uma variação a ambos os esquemas, substituindo o interleaver por um scrambler, tendo sido obtidos resultados significativamente melhores. Nesta dissertação, são também descritos os problemas e dificuldades inerentes à implementação prática e teste de um sistema de comunicação genérico em plataformas SDR. Em concreto, e a título de exemplo, é proposto e foi implementado um processo de automatização dos testes, assente em comunicação sobre UDP, que permite a sincronização de vários SDRs (que modelam os sistemas transmissores e recetores), que pode ser aplicado a outros modelos de Simulink que representem um canal de escuta.Com estes resultados, mostra-se que os esquemas propostos cumprem os requisitos de garantir uma transmissão segura e fidedigna, podendo vir a ser um importante complemento à segurança das comunicações, principalmente em dispositivos móveis, como telemóveis (onde a segurança baseada em proximidade está a ganhar força) ou dispositivos da Internet das Coisas de baixo consumo, onde pode não ser possível utilizar os métodos da criptografia.
Nas últimas décadas as comunicações sem fios tiveram um crescimento enorme. Hoje em dia, a maioria das tarefas diárias necessitam da utilização de um dispositivo que recorra a uma comunicação sem fios. Por isso, criou-se uma necessidade de aumentar a segurança nestas comunicações. Recentemente, as técnicas de segurança na camada física têm gerado interesse, pois, permitem complementar, através de uma abordagem diferente, os protocolos de segurança já existente em outras camadas lógicas. Nesta dissertação foi implementado, um método de segurança na camada física num sistema Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). Este método utiliza as características do canal para codificar e descodificar a mensagem transmitida, tendo por base o princípio da reciprocidade do canal que permite obter uma fonte de informação aleatória comum entre transmissor e recetor legítimo. As estimações de canal feitas são utilizadas para criar sinais de interferência que irão mudar a fase dos símbolos modulados e, consequentemente, proteger a mensagem transmitida. O sistema OFDM com o método de segurança foi desenvolvido utilizando a framework GNU Radio. Além disso, cada módulo constituinte do sistema pode ser utilizado com plataformas de rádio definido por software (SDR) para testes em ambiente real. Os testes realizados foram feitos considerando um cenário baseado no canal wiretap onde existem dois utilizadores legítimos (Alice e Bob) e um ilegítimo (Eve); no modelo original a Alice envia uma mensagem para o Bob enquanto a Eve tenta intercetá-la, além disso é assumido que as condições de transmissão do Bob são mais vantajosas do que as da Eve. As simulações realizadas consideraram diferentes condições de canal de forma a determinar os efeitos no desempenho do sistema. Além disso, foi realizada uma experiência em condições reais com SDR para validar a implementação. Os resultados obtidos, constituem evidência que o método usado pode aumentar a segurança mesmo quando o canal ilegítimo tem boas condições, embora, alguma fiabilidade seja comprometida. Isto pode ser importante nas futuras redes de dispositivos de baixa complexidade, como na Internet das coisas, onde é difícil a implementação de técnicas complexas de encriptação, e como os métodos de segurança na camada física podem ter um papel importante.
Compreende-se criptografia como a prática de princípios e técnicas que permitem uma comunicação segura, na presença de terceiros. Com o desenvolvimento dos computadores quânticos, a utilização de um algoritmo quântico muito eficiente (algoritmo de Shor) para atacar a atual criptografia assimétrica pode transformar-se numa realidade. Isso comprometeria a segurança dos sistemas atuais e futuras trocas de informações. Nesta dissertação, é estudada uma implementação do protocolo quântico BB84, que utiliza variáveis discretas com codificação na polarização de fotões.Na primeira parte deste trabalho, foi estudado o recetor já implementado no laboratório do Instituto de Telecomunicações de Aveiro. De forma a otimizar o processo de recolha e processamento de informação, foi desenvolvida uma solução baseada no Arduino. Conforme foram realizados alguns testes, percebeu-se que seria necessário adicionar um novo Arduino e uma placa periférica para gerir quatro valores de tensão de um controlador de polarização. Foram ainda obtidos resultados testes do Quantum Bit Error Rate (QBER), onde se verifica a estabilidade do sistema.Por último, de forma a obter ritmos de operação elevados, estudou-se uma solução baseada em moduladores IQ (In-phase Quadrature. Para se conseguir gerar os seis estados de polarização nas três bases não ortogonais (base padrão, base diagonal e base circular) propusemos uma estrutura Dual-IQ. Nesta estrutura, o sinal ótico é dividido em duas partes iguais, cada uma passando por um modulador IQ. Aqui, uma diferença de fase é introduzida em cada um dos sinais, e com a ajuda de um rotador de polarização é possível gerar vários estados de polarização. Foram realizadas simulações de forma a demonstrar que esta estrutura é capaz de gerar os seis estados de polarização necessários.