title: Implementation of lightweight cryptography algorithms in FPGAs
title: Υλοποίηση lightweight κρυπτογραφικών αλγορίθμων σε αναδιατασσόμενη λογική
Creators: name: Οικονομου Αστεριος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2022

description: IoT applications typically involve a tree-like structure of devices, with the top levels occupied by a small number of highly complex powerful machines and a plethora of more restricted in computational and energy resources devices as one moves to the bottom levels. While cost and physical size restrictions mandate that those limited devices employ simplistic computing resources with small capacity batteries, the penetration of IoT applications in all forms of activities has multiplied the computational tasks (both in number and complexity) that have to be executed, increasing the pressure to use highly computationally and energy efficient devices and implementations of algorithms to be executed on their hardware. One of those tasks is data encryption, employed as one of the fundamental means to secure the exchange and storage of sensitive information. Lightweight encryption algorithms have been proposed as a good balance between data protection and computational complexity, enabling simple devices to handle those tasks. In this diploma thesis, three such algorithms are examined (Clefia, Simon and Present) focusing on devices that are placed at the edge of the IoT infrastructure. These devices communicate with a significant number of leaf-nodes and concentrate the traffic between the leaves and the higher levels of infrastructure. While they retain much of the limitations of the lower-levels of the IoT architecture (low cost, small size and limited energy resources), they have to provide significant computational performance and this work aims to explore the implementation of the encryption algorithm in custom reconfigurable hardware in order to achieve higher performance than common CPU-based systems and even higher energy efficiency. A comparison is therefore made between implementations of the three algorithms in software and hardware Specifically, the three algorithms were tested in software on four different processors(ARM Cortex-A9, ARM Cortex-A53, Intel Core I5-4200U and Intel Xeon E5-2630) and for the hardware at Xilinx KRIA KV260 FPGA. The results of the measurements show that Present block cipher is 1,473 times faster when applied on hardware compared to the Intel Xeon E5- 2630. The same comparison is made with the others algorithms where Simon cipher appears to 29 times faster when applied to the hardware while Clefia block cipher is 252 times faster when applied to the hardware compared to the Intel Xeon processor E5-2630.
description: Οι εφαρμογές IoT περιλαμβάνουν συνήθως μια δομή συσκευών που μοιάζει με δέντρο,όπου τα υψηλότερα επίπεδα καταλαμβάνονται από ένα μικρό αριθμό εξαιρετικά πολύπλοκων ισχυρών μηχανών και από πληθώρα συσκευών με περιορισμένους πόρους ως προς την κατανάλωση ενέργεια και την πολυπλεξία των υπολογισμών καθώς κινούμαστε στα χαμηλότερα επίπεδα. Ενώ το κόστος και οι περιορισμοί φυσικού μεγέθους απαιτούν αυτές οι συσκευές να χρησιμοποιούν απλούς υπολογιστικούς πόρους με μπαταρίες χαμηλής χωρητικότητας.
Η διείσδυση των εφαρμογών του Διαδικτύου σε κάθε μορφή δραστηριότητας έχει πολλαπλασιάσει τις υπολογιστικές εργασίες(τόσο σε αριθμό όσο και σε πολυπλοκότητα) που πρέπει να εκτελεστούν, αυξάνοντας την πίεση για χρήση συσκευών με υψηλή ενεργειακή και υπολογιστική απόδοση αλλά και εφαρμογών, αλγορίθμων που πρέπει να εκτελεστούν στο δικό τους υλικό. Μία από αυτές τις εργασίες είναι η κρυπτογράφηση δεδομένων, που χρησιμοποιείται ως ένα από τα θεμελιώδη μέσα για την εξασφάλιση της ανταλλαγής και αποθήκευσης ευαίσθητων πληροφοριών. Οι αλγόριθμοι ελαφριάς κρυπτογράφησης έχουν προταθεί καθώς εξασφαλίζουν μια ισορροπία μεταξύ προστασίας δεδομένων και υπολογιστικής πολυπλοκότητας, επιτρέποντας απλές συσκευές για να χειριστούν τις εργασίες αυτές. Στην παρούσα διπλωματική εργασία τρεις τέτοιοι αλγόριθμοι εξετάζονται( Present, Simon και Clefia) εστιάζοντας σε συσκευές που βρίσκονται στην άκρη της υποδομής του IoT. Αυτές οι συσκευές επικοινωνούν με έναν σημαντικό αριθμό κόμβων φύλλων και συγκεντρώνουν την πληροφορία μεταξύ των φύλλων και των υψηλότερων επιπέδων υποδομής. Ενώ διατηρούν μεγάλο μέρος των περιορισμών που έχουν τα κατώτερα επίπεδα της αρχιτεκτονικής του IoT (χαμηλό κόστος μικρό μέγεθος και περιορισμένοι ενεργειακοί πόροι) παρέχουν σημαντική υπολογιστική απόδοση και αυτή η εργασία στοχεύει στην υλοποίηση των αλγορίθμων κρυπτογράφησης σε αναδιατασόμενη λογική με σκόπό την επίτευξη υψηλότερης απόδοσης σε σχέση με ένα σύστημα που βασίζεται σε CPU καθώς και ακόμη υψηλότερη ενεργειακή απόδοση. Γίνετε σύγκριση μεταξύ των υλοποιήσεων των τριών αλγορίθμων σε λογισμικό και σε υλικό. Συγκεκριμένα οι τρεις αλγόριθμοι εξετάστηκαν στο λογισμικό σε τέσσερις διαφορετικούς επεξεργαστές (ARM Cortex-A9, ARM Cortex-A53, Intel Core I5-4200U και Intel Xeon E5-2630) και για το υλικό υλοποιήθηκαν στην Xilinx KRIA KV260. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων δείχνουν ότι ο αλγόριθμος Present είναι 1.473 φορές πιο γρήγορος όταν εφαρμόζεται στο υλικό από όταν εφαρμόζεται στον επεξεργαστή Intel Xeon E5-2630. Η ίδια σύγκριση γίνεται και με τους άλλους αλγόριθμους όπου ο Clefia εμφανίζεται να είναι 252 φορές πιο γρήγορος όταν εφαρμόζεται στο υλικό ενώ ο Simon είναι 29 φορές πιο γρήγορος όταν εφαρμόζεται στο υλικό σε σύγκριση με τον επεξεργαστή Intel Xeon E5-2630.