Thesis: Implementation and Evaluation of Efficient Cryptographic Algorithms using CUDA and OpenCL
The (rather lengthy) topic of my thesis contains this: Cryptography on GPUs. GPUs have become much more powerful than CPUs in terms of FLOPs/s (floating point operations per second), but using these computational resources requires a new programming model and a problem which can in fact be translated to run on a GPU. I simply transformed a few block ciphers (symmetric encryption systems) to run on the GPU, and analyzed common design paradigms and problems along the way. This has been done before by other teams, but what sets my work apart (in my opinion) is the fact that I analyzed multiple ciphers in one work, used two different systems to test my implementations and provided a detailed description of the test setup, something missing from most of the previous work.

Additionally, I think my thesis makes a comfortable read for anyone interested in GPU programming and cryptography on GPUs. You don’t need a lot of previous knowledge to understand it, and most of the previous work in GPU cryptography (not just for block ciphers) has been cited in the first chapter.

Thesis: Implementation
To implement the ciphers examined in my thesis, I needed some kind of foundation. First of all, encryption and decryption has to be invoked in some standard way, and different kinds of benchmarks have to be supported as well. After some search, I settled with using engine-cuda, an engine for the OpenSSL crypto library which uses CUDA to execute the block ciphers. To implement the block ciphers, I used the versions included with OpenSSL to start. Implementing a block cipher using just the original paper which describes it is a really bad idea unless you have extensive experience. I’ve seen other teams implement text-book versions of AES and fail miserably in the process.

My changes to engine-cuda will be released at some point in the near future, right now I am still working on it. Rest assured, when it is released you will hear about it here ;)

Thesis: Acknowledgments
My thesis was written at the Chair for IT Security at RWTH Aachen University, which is a young and really small chair. As a result, the communication with my supervisor and the professor was excellent, and I’d like to thank them both for supporting my topic. While cryptography certainly fits well into a chair for security, GPU-programming is a topic more often attributed to HPC research groups. As usual, Flo proved to be really helpful pointing out spelling mistakes and other errors in my thesis. Last but not least, Paolo Margara, author and maintainer of the engine-cuda project helped me get started with the code and discussed implementation decisions with me during development.

If you have questions or suggestions about the content of my work, feel free to contact me!

Was ist UROP?
UROP, das Undergraduate Research Opportunities Program, ist ein Förderungsprogramm für Studenten. Wie der Name verrät richtet es sich an Undergraduates, also auf das neue BA/MA-System bezogen auf Bachelor-Studenten. Das Research im Titel bezieht sich darauf dass einzelne Forschungsprojekte gefördert werden sollen. Es ist kein Research-Grant in dem Sinne wie man es vielleicht kennt: Mittel für ein Projekt beantragen und dann loslegen. UROP fördert Projekte nach ihrem Abschluss (wenn sie denn erfolgreich beendet wurden) und nach einer Evaluation der fertigen Arbeiten. Das bedeutet allerdings auch nicht dass man sich die Förderung wie ein Wettbewerb vorstellen soll bei dem die besten N Beiträge ausgezeichnet werden.

Ablauf
Wenn man ein Projekt gefunden hat und angenommen wurde kann man loslegen. Ob allein oder im Team ist prinzipiell egal. Zuerst muss man ein paar formale Dinge erledigen: Anschreiben, Lebenslauf, Motivationsbrief. Der Projektzeitraum ist sehr flexibel (ob ein ganzes Jahr oder nur ein paar Wochen), allerdings gibt es nur halbjährlich die Möglichkeit eine Förderung zu beantragen. Man hat einen Betreuer am Lehrstuhl mit dem man regelmäßig den weiteren Verlauf abspricht. Hat man das Projekt beendet schreibt man noch einen dreiseitigen Abschlussbericht und hält eine kurze Präsentation im Zuge des halbjährlichen UROP-Kolloquiums. Vom Betreuer (bzw. Prof. am Lehrstuhl) wird dann auch noch eine Evaluation geschrieben die direkt an UROP geht. Noch ein bisschen Papierkram und man ist fertig. Zuletzt wird das Projekt bewertet (von anderen Profs im eigenen Fachbereich) und wenn alles stimmt erhält man die Förderung (max. 2000€ pro Projekt).

Warum sollte man an UROP teilnehmen?
Das ist eine gültige Frage, kriegt man doch selbst in den einfachen HiWi-Jobs mit 8h/Woche immerhin mehr Geld, rein auf die Arbeitszeit bezogen (hey, das ist nicht meine Argumentationsweise aber solche Sachen wurde ich teilweise gefragt). Allerdings arbeitet man dabei nicht unbedingt so flexibel (was die Zeiteinteilung angeht) und zielorientiert. Wenn man nicht grade an einem guten Lehrstuhl eine Stelle bekommen hat fehlt evtl. sogar der wissenschaftliche Aspekt der Arbeit gänzlich. Die Menge der Leute die sich über das Studium beschweren weil man, selbst in Seminararbeiten oder Praktika, nur bereits Bekanntes zusammenfasst ist groß genug, so dass ich da ein gewisses Interesse vermute. Über ein UROP-Projekt kann man gut mit Mitarbeitern am Lehrstuhl in Kontakt kommen, nicht unwichtig für die spätere Wahl bei der Diplom/Master-Arbeit oder sogar bei weiterführenden Plänen (zugegebenermaßen kann man solche Kontakte natürlich auch unabhängig aufbauen, so gern sich auch alle Veranstaltungen rund um die Uni “Networking” auf die Fahne schreiben). Darüberhinaus schadet es sicherlich nicht ein abgeschlossenes UROP-Projekt auf dem Lebenslauf zu haben.

Warum mache ich Werbung dafür?
Wie gesagt, ich find es schade dass so wenig Leute überhaupt von UROP mitgekriegt haben. Die Fördertöpfe (übrigens im Rahmen der Exzellenzinitiative geschaffen, für alle die meinen dass Studiengebühren auf keinen Fall wieder zu den Studenten zurückfinden) sind voll und es gab bei den letzten vier UROP-Runden weniger Bewerber als Stipendien. Was das Kolloquium angeht waren die Vorträge der anderen UROP-Projekte sehr interessant. So haben wir erfahren dass manche Insekten zwar an Scheiben kleben können, um den Gefrierpunkt aber plötzlich ihre Haftfähigkeit verlieren (das ist mal über den Tellerrand geschaut für Informatiker! ;) Inzwischen gibt es sogar UROP Abroad, ein Programm mit dem man ein UROP-Projekt in den USA/Kanada verfolgen kann. Das hat bisher nur eine Person gemacht, aber die war immerhin im schönen Saskatchewan.

Wo kann man sich informieren?
Am besten auf der RWTH UROP Seite. Dort ist auch die Projektdatenbank verlinkt. Allerdings sollte man sich davon nicht abschrecken lassen. Am besten ist man spricht mit einem Assistenten oder Prof ob er nicht ein Projekt hat was gut in den Rahmen von UROP passen würde.

Image credit: RWTH UROP website

Seminare
Seminare bei uns in der Informatik funktionieren wie folgt: Man bewirbt sich auf ein Seminar zu einem groben Überthema bei einem der Informatik-Lehrstühle. Wenn man Glück hat kriegt man den Platz seiner ersten Wahl. Vor dem Semester sucht man sich dann eins der Themen aus und kriegt ein oder mehrere Paper auf denen man aufbauend seine Seminarausarbeitung schreiben soll. An der Stelle merkt man schon dass der Anteil origineller Arbeit beschränkt ist, was durchaus so vorgesehen ist. Ziel eines Seminars ist es schliesslich sich selbstständig in ein Thema einzuarbeiten und das Ganze dann in einen wissenschaftlich aussehenden Artikel zu gießen. Dafür hat man ein paar Monate Zeit, am Ende gibt es dann ein paar Tage lang Vorträge an denen man sein Seminar den anderen Teilnehmern vorstellt. Ich habe im Hauptstudium zwei Seminare gemacht (und ein Praktikum):

• Praktische Informatik: The most efficient SHA-1 attacks (Prof. Meyer) – Ausarbeitung und Slides
• Theoretische Informatik: Das Cross-Section-Theorem und nicht-mehrdeutige Transducer (Prof. Thomas) – Ausarbeitung und Slides

Prüfungsprotokolle
Bei uns im Hauptstudium schreibt man keine Klausuren mehr (abgesehen von ein paar Scheinklausuren) sondern hat mündliche Prüfungen. Manche Leute schreiben Gedächtnisprotokolle einer Prüfung, damit sich andere besser auf die Atmosphäre bei solchen Prüfungen und den Tiefgang vorbereiten können, den eigentlichen Stoff der abgefragt wird sollte man ohnehin komplett drauf haben ;)

• Protokoll Theoretische Informatik: Angewandte Automatentheorie, Unendliche Spiele, Automaten auf unendlichen Wörtern, Cryptography I + II (Prof. Thomas, Prof. Mathar) – Protokoll
• Protokoll Praktische Informatik: Datenbanken, Logic of Knowledge Bases, Logikprogrammierung (Prof. Lakemeyer) – Protokoll
• Protokoll Vertiefung: IT Security I + II, Massively Distributed Systems I, Communication Systems Engineering I (Prof. Wehrle, Prof. Meyer) – Protokoll

UROP
Zusätzlich haben Flo und ich noch an UROP teilgenommen, dem Undergraduate Research Opportunities Programme der RWTH. Für UROP werden Projekte in unterschiedlichen Fachbereichen ausgeschrieben auf die man sich bewerben kann um dann schon während des Studiums erste Schritte im wissenschaftlichen Arbeiten zu machen. Unser Projekt, welches wir am LuFG Informatik 4 – Distributed Systems Group (Prof. Wehrle) durchgeführt haben hieß ALPHA – An Adaptive and Lightweight Protocol for Hop-by-Hop Authentication. Dabei ging es darum ein Protokoll zu implementieren (und zu erweitern), mithilfe dessen Netzwerkpakete an jeder Stelle im Netzwerk auf Integrität geprüft und ggf. direkt verworfen werden können, z.B. um mobile Endgeräte vor falschem Netzverkehr zu schützen der sonst die Resourcen (CPU und damit auch Batterie) dieser Geräte beanspruchen würde. Zu UROP werde ich bald noch einen eigenen Artikel schreiben. Für UROP mussten wir eine kurze Ausarbeitung schreiben, mit ein bisschen Hintergrundwissen sollte man das Prinzip von ALPHA verstehen.

• Implementation and Improvement of ALPHA: Ausarbeitung für UROP und Slides des UROP Kolloquiums
• ALPHA – An Adaptive and Lightweight Protocol for Hop-by-Hop Authentication: Das Original-Paper auf dem das Protokoll aufbaut

Bei Fragen oder Verbesserungsvorschlägen könnt ihr euch wie immer gern bei mir melden.

Rest assured, I’ll be there, but probably less cubing and more photographing. So be sure to come by, even if just to get a glimpse of hardcore-nerds in a different area than your own profession. In case you missed the last Aachen Open, be sure to check out last years website for impressions.

• I flashed v23 first, before flashing it with the rc5-version
• The script linked above checks for a dead connection by pinging a keepalive host. Unfortunately this is not an option here, since there is a fallback for when the vpn does not work…
• I haven’t tested the performance with any fancy services on the device. It’s basically still at factory default.
• Not surprising: When using the device via LAN rather than WPA2 wireless, I managed to get some 30kB/sec more out of it.
• There is an option to overclock the CPU from 200Mhz to 250Mhz. Haven’t tried it, and not sure I if will neither.
• The new firmware does have some other cool features as well ;)