The fast-growing Internet of Things (IoT) across healthcare, industrial automation, and smart infrastructure has led to increasing requirements for secure cryptographic solutions that are lightweight and suitable to resource constrained environments. This thesis investigates the feasibility of Elliptic Curve Cryptography (ECC) and in particular the Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA), as a feasible alternative to classical schemes such as RSA in embedded systems. Two of the more prevalent lightweight cryptographic libraries, MIRACL and RELIC, were implemented and evaluated on a Raspberry Pi 4 platform in a typical edge computing configuration. The tests were generalized into four categories CPU time, memory usage, energy usage (J), and power consumption (W) and measured using both internal timers and an external FNB58 USB power meter capable of monitoring at a few mA of power. A notional implementation of RSA was included for comparison. The experimental results presented ECDSA performed better than RSA in computational efficiency, energy usage and run time feasibility at equivalent levels of security. In the ECC runs RELIC was shown to run at a speed that was approximately three times faster than MIRACL for every keysize run and had an overall lower memory usage and energy usage. These results were discussed in context of examples of actual IoT use cases with IoT classifications of smart homes, smart agriculture, industrial IoT and wearable devices, and the performance of the cryptographic primitives in relation to the application domain. The tests also highlighted challenges of integrating cryptography into embedded environments, including rigid build-systems, cross-architecture compatibility, and a lack of documentation for lightweight libraries available to researchers. This work provides an rigorous, implementation comparison of different ECC libraries in embedded environments and provides suggestions for researchers to use lightweight cryptography. Finally it provides future directions in research in areas covering post-quantum based cryptography, side-channel resistance based cryptography, and adaptive cryptography for heterogeneous systems.

Η ραγδαία εξέλιξη του Διαδικτύου των Πραγμάτων (IoT) σε τομείς όπως η υγειονομική περίθαλψη, ο βιομηχανικός αυτοματισμός και οι «έξυπνες» υποδομές έχει οδηγήσει σε αυξημένη ανάγκη για ασφαλείς και αποδοτικούς κρυπτογραφικούς μηχανισμούς που να είναι κατάλληλοι για συσκευές με περιορισμένες δυνατότητες. Αυτή η διπλωματική εργασία αναλύει τη βιωσιμότητα της Ελλειπτικής Κρυπτογραφίας (ECC) με ιδιαίτερη έμφαση στον Ψηφιακό Αλγόριθμο Υπογραφής Ελλειπτικής Καμπύλης (ECDSA). Σκοπός είναι να καταδείξουμε αυτή τη μέθοδο ως μια αποτελεσματική εναλλακτική λύση σε παραδοσιακά συστήματα, όπως το RSA, κυρίως σε ενσωματωμένα περιβάλλοντα. Δύο γνωστές βιβλιοθήκες για απλή κρυπτογράφηση, οι MIRACL και RELIC, έχουν αναπτυχθεί και αξιολογηθεί στην πλατφόρμα Raspberry Pi 4, προσομοιώνοντας συνθήκες που σχετίζονται με υπολογιστικές εφαρμογές σε περιβάλλον ακμής. Η αξιολόγηση περιλάμβανε μετρήσεις του χρόνου εκτέλεσης, της κατανάλωσης μνήμης, της ενέργειας (Joule) και της ισχύος (Watt). Για αυτή τη διαδικασία χρησιμοποιήθηκαν εσωτερικοί χρονομετρητές καθώς και ένας εξωτερικός μετρητής USB FNB58. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε σε μικρό βαθμό η υλοποίηση του RSA για συγκριτικούς λόγους. Τα πειράματα έδειξαν ότι το ECDSA ξεπερνά σαφώς το RSA όσον αφορά την υπολογιστική απόδοση, την κατανάλωση ενέργειας και τη λειτουργική βιωσιμότητα, όταν συγκρίνονται τα ίδια επίπεδα ασφάλειας. Μέσα στις υλοποιήσεις της ECC, η βιβλιοθήκη RELIC παρουσίασε ταχύτητες εκτέλεσης που είναι έως τρεις φορές πιο γρήγορες σε όλες τις δοκιμασμένες παραμέτρους. Επιπλέον, εμφάνισε ελαφρώς μειωμένη κατανάλωση μνήμης και ενέργειας. Τα ευρήματα ενσωματώθηκαν σε πρακτικές εφαρμογές του IoT, όπως έξυπνα σπίτια, «έξυπνη» γεωργία, βιομηχανικό IoT και φορετές συσκευές. Αυτό ανέδειξε τους συμβιβασμούς που προκύπτουν ανάμεσα στην απόδοση της κρυπτογράφησης και στους ιδιαίτερους περιορισμούς κάθε εφαρμογής. Εν τω μεταξύ, εμφανίστηκαν σημαντικές προκλήσεις κατά τη διαδικασία ενσωμάτωσης. Αυτές περιλαμβάνουν δυσκολίες στα build systems, αλληλεπιδράσεις μεταξύ διαφορετικών αρχιτεκτονικών και περιορισμένη τεκμηρίωση για τις ελαφριές βιβλιοθήκες. Αυτή η μελέτη προσφέρει μια αναλυτική συγκριτική αξιολόγηση των βιβλιοθηκών ECC για ενσωματωμένα συστήματα, δίνοντας σημαντικές παρατηρήσεις σχετικά με την καταλληλότητά τους για ασφαλείς και βιώσιμες εφαρμογές στον τομέα του IoT. Επιπλέον, προτείνει κατευθύνσεις για μελλοντική έρευνα, όπως η μετα-κβαντική κρυπτογραφία, η ανθεκτικότητα απέναντι σε επιθέσεις από πλευρικά κανάλια και η ανάπτυξη προσαρμοστικών κρυπτογραφικών πλαισίων για διάφορα συστήματα.