ارائه معماری سبک‌وزن برای رمز احراز اصالت‌شده COLM و پیاده‌سازی آن روی بسترهای FPGA و ASIC

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

دانشکده و پژوهشکده مهندسی فن‌آوری اطلاعات و ارتباطات - دانشگاه جامع امام حسین (ع)

چکیده

طرح‌های رمزنگاری احرازاصالت‌شده دو سرویس محرمانگی و جامعیت را هم‌زمان فراهم می‌کنند. مسابقه سزار با هدف طراحی این رمزها در حال برگزاری است. یکی از معیارهای انتخاب طرح نهایی این مسابقه در کنار امنیت، عملکرد سخت‌افزاری کاندیداها در محیط‌های با منابع محدود است. در این مقاله برای اولین‌بار برای رمز احراز اصالت‌شده COLM از دور نهایی مسابقه سزار، یک معماری سخت‌افزاری سبک‌وزن 8-بیتی و سازگار با واسط برنامه‌نویسی کاربردی نسخه 2 ارائه شده‌است. به‌دلیل این‌که طرح COLM از رمز AES به‌عنوان اولیه استفاده می‌کند، از معماری سبک‌وزن Atomic-AES سازگار شده با قوانین مسابقه سزار استفاده شده‌است. برای کاهش منابع سخت‌افزاری مصرفی از تکینک‌هایی مانند پیاده‌سازی یک هسته AES برای رمزنگاری/رمزگشایی طرح، به اشتراک‌گذاری ثبات‌ها و پیاده‌سازی دوبرابرکردن روی میدان (2128)GF با ساختار 8­-بیت و ساختن ضرب‌های مرتبه بالاتر از آن، استفاده شده‌است. معماری پیشنهادی طرح COLM روی بسترهای ASIC و FPGA پیاده‌سازی شده‌است. این معماری برای دو بستر فوق مشابه بوده ولی از تکنیک‌های بهینه‌سازی نگاشت تکنولوژیکی برای هر بستر استفاده شده‌است. مقایسه نتایج این‌کار با پیاده‌سازی‌های پایه نشان می‌دهد که ناحیه مصرفی در FPGA، 62% و در ASIC، 74% کاهش داشته‌است. هم‌چنین اختصاصی‌نمودن 2v API برای عرض داده 8-بیت ناحیه مصرفی API را به‌ترتیب به میزان 8% و 6% روی بستر FPGA و ASIC کاهش داده است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Lightweight Architecture for COLM Authenticated Ciphers and Implementation on FPGA and ASIC

نویسندگان [English]

  • M. jahnabani
  • Z. Norouzi
Imam Hossein Comprehensive University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Authenticated encryption schemes provide both confidentiality and integrity services, simultaneously. The CAESAR competition is being held with the aim of designing this cipher. An important criterion for selecting the final portfolio, besides security, is the hardware performance of the candidate in the environments with limited resource. In this paper, for the first time for COLM authenticated ciphers from the final round of the CAESAR, an 8-bit lightweight architecture have been presented, which is compatible with API v2. Since COLM scheme uses AES cipher as a primitive, lightweight architecture of Atomic-AES has been selected and adopted according to the API rules. Furthermore, to reduce the area in the hardware implementation, several techniques are used, including implementing one AES core in the datapath, sharing of registers and implementation doubling on the GF (2128) with 8-bit architecture for constructing the higher-order multipliers. Proposed architecture of COLM is implemented on ASIC and FPGA platforms. This architecture is similar in both platforms, but different technology mapping optimization techniques are used for each platform. Comparing the results with 128-bit implementations shows that the area on FPGA and ASIC is reduced by 62% and 74%, respectively. Also, the customized API v2 for 8-bit data width reduced the API area by 8% and 6% on the FPGA and ASIC platforms, respectively. 

کلیدواژه‌ها [English]

  • authenticated encryption schemes
  • lightweight implementation
  • CAESAR competition
  • COLM
  • FPGA
  • ASIC

مراجع

[1]       M. Dworkin, Recommendation for Block Cipher Modes of Operation: The CCM Mode for Authentication and Confidentiality, NIST Publications, SP.800-38C, 2004, https://csrc.nist.gov/publications/detail/sp/800-38c/final.
[2]       M. Dworkin, Recommendation for Block Cipher Modes of Operation: Galois/Counter Mode (GCM) and GMAC, NIST Special Publications, NIST.SP.800-38D, 2007, https://csrc.nist.gov/publications/detail/sp/800-38d/final.
[3]       https://competitions.cr.yp.to/2014-03-15.
[4]       ح. پروین، م. محمدپور، ر. ا. امیدوار، «ارائه روشی مبتنی‌بر پوشش سراسری و تخمین اتفاق آرا برای بهبود کارایی در شبکه حسگر بی‌سیم»، مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز, جلد 47، شماره 3، صفحه 877-891، 1396.
[5]       E. Homsirikamol, W. Diehl, A. Ferozpuri, F. Farahmand, P. Yalla, J. P. Kaps and K. Gaj, “CAESAR Hardware API,” Cryptology ePrint Archive, Report 2016/626. 2016 [Online]. Available: https://eprint.iacr.org/2016/626.
[6]       Cryptographic Engineering Research Group (CERG) at GMU. Development Package for Hardware Implementations Compliant with the CAESAR Hardware API v1, [Online]. https://cryptography.gmu.edu/athena /index.php?id=CAESAR/2016.
[7]       Cryptographic Engineering Research Group (CERG) at GMU, Development Package for Hardware Implementations Compliant with the CAESAR Hardware API v2, [Online]. https://cryptography.gmu.edu/athena /index.php?id=CAESAR/2017.
[8]       S. Banik, A. Bogdanov and F. Regazzoni, “Atomic-AES v2.0,” Cryptology ePrint Archive, Report 2016/1005. 2016 [Online]. Available: http://eprint.iacr.org/2016/1005.
[9]       Database of FPGA Results for Authenticated Ciphers, George Mason University, U.S.A. Available at https:// cryptography.gmu.edu/athenadb/fpga_auth_cipher/table/ 2018-03-12.
[10]    Authenticated Encryption FPGA Ranking, George Mason University, U.S.A. Available at https://cryptography. gmu.edu/athenadb/fpga_auth_cipher/rankings_view/ 2018-03-12.
[11]    S. Banik and A. Bogdanov, “Low-area hardware implementations of CLOC, SILC and AES-OTR,” IEEE International Symposium on Hardware Oriented Security and Trust (HOST), McLean, VA, pp. 71-74, 2016.
[12]    D. Sanjay and K. Gaj, “Analysis and Inner-Round Pipelined Implementation of Selected Parallelizable CAESAR Competition Candidates,” Euromicro Conference on Digital System Design (DSD), Vienna, Austria, IEEE, pp. 274-282, 2017.
[13]    S. Kumar, J. Haj-Yahya, M. Khairallah, and A. Chattopadhyay, “A Comprehensive Performance Analysis of Hardware Implementations of CAESAR Candidates,” Cryptology ePrint Archive, Report 2017/1261. 2017 [Online]. Available: http://eprint.iacr.org/2017/1261.
[14]    W. u. Hongjun and B. Preneel, AEGIS: A fast authenticated encryption algorithm, CAESAR competition proposal, https://competitions.cr.yp.to/round3 /aegisv11/2016.
[15]    T. Krovetz and P. Rogaway, OCB v1.1, CAESAR competition proposal, Available at: https://competitions. cr.yp.to/round3/ ocbv11.pdf/2016.
[16]    A. Elena, A. Bogdanov, N. Datta, A. Luykx, B. Mennink, M. Nandi, E. Tischhauser and K. Yasuda, COLM v1, CAESAR competition proposal, Available at https://competitions.cr.yp.to/round3/colmv1.pdf/2016.
[17]     م. جهانبانی، ن. باقری، ز.ا. نوروزی، «مروری بر پیاده‌سازی‌های        سخت‌افزاری سبک‌وزن رمزAES »، دو فصلنامه علمی و ترویجی منادی، دوره 6، شماره 2، صفحه 3-20، 1396.
[18]    M. Feldhofer and J. Wolkerstorfer “AES Implementation on a Grain of Sand,” In IEEE Proceedings of Information Security, vol. 152, no.1, pp. 13-20, 2005.
[19]    S. Mathew, S. Satpathy, V. Suresh, M. Anders, H. Kaul, A. Agarwal, S. Hsu, and R. K. Krishnamurthy, “340 mV-1.1V, 289 Gbps/W, 2090-gate nanoAES hardware accelerator with area-optimized encrypt/decrypt GF(24)2 polynomials in 22 nm tri-gate CMOS,” In IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 50, no. 1, pp. 1048-1058, 2015.
[20]    A. Moradi, A. Poschmann, S. Ling, C. Paar, H. Wang, “Pushing the Limits: A Very Compact and a Threshold Implementation of AES,” In Eurocrypt, LNCS, Springer, vol. 6632, pp. 69-88, 2011.
[21]    S. Banik, A. Bogdanov and F. Regazzoni, “Atomic-AES: A compact implementation of the AES Encryption/Decryption core,” Cryptology ePrint Archive, Report 2016/927. 2016 [Online]. Available: http://eprint.iacr.org/2016/927.
[22]    J. Chu and M. Benaissa, “Low area memory-free FPGA implementation of the AES algorithm,” In: 2012 22nd international conference on, field programmable logic and applications (FPL), IEEE, pp. 623–626, 2012.
[23]    P. Sasdrich and T. Güneysu, Pushing the limits: ultra-lightweight AES on reconfigurable hardware. In: Workshop on trustworthy manufacturing and utilization of secure devices. TRUDEVICE, 2015.
[24]پ. دری، ع. قیاسیان، ح. سعیدی، «طراحی و پیاده‌سازی رمزنگار AES  در بستر FPGA برای خطوط پرسرعت»، مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، دوره ۴۶، شماره ۱، صفحه 167-153، ۱۳۹۵.

 

[25]    M. Khairallah and A. Chattopadhyay, “Looting the LUTs: FPGA Optimization of AES and AES-like Ciphers for Authenticated Encryption,” In International Conference in Cryptology in India, Springer, Cham, pp. 282-301, 2017.
[26]    GMU Implementations of Authenticated Ciphers, George Mason University, U.S.A, available https:// cryptography. gmu.edu/athena/index.php?id=download/2018-03-12.
[27]    م. جهانبانی، ن. باقری، ز. ا. نوروزی، «پیاده­سازی سخت‌افزاری سیستم های رمزنگاری براساس زوج سازی تیت با استفاده از FPGA رویF2283 »، مجله علوم و فناوری‌های پدافند نوین، دوره 7، شماره 2، صفحه 95-106، 1395.
[28]    F. Farahmand, A. Ferozpuri, W. Diehl and K. Gaj, https://cryptography.gmu.edu/athena/index.php?id=Minerva/2018-01-25.
[29]    NANGATE: The NanGate 45 nm Open Cell Library, http://www.nangate.com/2018-02-14.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار