[논문 리뷰] Evaluation of Lightweight Block Ciphers in Hardware Implementation: A Comprehensive Survey

Jaber Hosseinzadeh, Abbas Ghaemi Bafghi|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 13.

Cryptographic Implementations and Security참고 문헌 6인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 경량 블록 암호에 대한 종합적인 하드웨어 평가를 제시하며, 게이트 에QUIVALENT(면적), 블록당 클럭 주기 수(속도), 스루풋(성능), Figure of Merit(균형 잡힌 효율성)와 같은 표준화된 지표를 사용해 성능을 평가한다. 이 연구는 보안, 속도, 자원 효율성 간의 최적의 트레이드오프를 보이는 SIMON, SPECK, Piccolo 가 하드웨어 구현에서 최고의 성능을 보였다고 밝힌다.

ABSTRACT

The conventional cryptography solutions are ill-suited to strict memory, size and power limitations of resource-constrained devices, so lightweight cryptography solutions have been specifically developed for this type of applications. In this domain of cryptography, the term lightweight never refers to inadequately low security, but rather to establishing the best balance to maintain sufficient security. This paper presents the first comprehensive survey evaluation of lightweight block ciphers in terms of their speed, cost, performance, and balanced efficiency in hardware implementation, and facilitates the comparison of studied ciphers in these respects. The cost of lightweight block ciphers is evaluated with the metric of Gate Equivalent (Fig.1), their speed with the metric of clock-cycle-per-block (Fig.2), their performance with the metric of throughput (Fig.3) and their balanced efficiency with the metric of Figure of Merit (Fig.4). The results of these evaluations show that SIMON, SPECK, and Piccolo are the best lightweight block ciphers in hardware implementation.(Abstract)

연구 동기 및 목표

• 제한된 전력, 메모리, 면적을 가진 자원 제약이 있는 장치에서 효율적인 암호화 솔루션에 대한 증가하는 수요를 해결하기 위해.
• 면적, 속도, 스루풋, 효율성과 같은 하드웨어 특화 성능 지표를 기반으로 경량 블록 암호를 평가하기 위해.
• 기존 경량 블록 암호를 체계적으로 비교하여 하드웨어 구현에 가장 적합한 후보를 규명하기 위해.
• 게이트 에QUIVALENT와 Figure of Merit 와 같은 정량적 지표를 사용해 공정한 벤치마킹을 위한 표준화된 평가 프레임워크 수립하기 위해.

제안 방법

• 저자는 하드웨어 성능 지표 4개를 사용해 경량 블록 암호를 평가한다: 면적 비용을 위한 게이트 에QUIVALENT(GE), 블록당 클럭 주기 수를 위한 속도, 성능을 위한 스루풋, 균형 잡힌 효율성에 대한 Figure of Merit(FoM).
• 평가 결과는 문헌에 게시된 하드웨어 구현 결과를 기반으로 하여, 암호 간 일관성과 비교 가능성을 확보한다.
• 다양한 설계 파rameter 간 공정한 성능 평가를 가능하게 하기 위해 정규화된 지표를 사용해 암호를 순위 매기고 비교한다.
• 연구는 하드웨어 구현에만 국한되며, 소프트웨어나 사이드 채널 고려 사항은 배제한다.
• SIMON, SPECK, Piccolo, HIGHT, LED 등 널리 인식된 암호를 포함하며, 제약 조건이 있는 환경에서의 관련성을 고려해 선택되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FPGA 또는 ASIC 구현에서 보안, 속도, 하드웨어 면적 간 최적의 균형을 이루는 경량 블록 암호는 무엇인가?
• RQ2 다양한 하드웨어 플랫폼에서 게이트 에QUIVALENT(GE), 스루풋, 블록당 클럭 주기 수 측면에서 각 암호의 성능은 어떻게 되는가?
• RQ3 면적과 성능을 통합하는 통합 Figure of Merit 지표를 사용해 평가했을 때, 경량 블록 암호의 상대적 순위는 어떻게 되는가?
• RQ4 하드웨어에서 가장 높은 균형 잡힌 효율성(FoM)을 보이는 암호는 무엇인가? 이는 임베디드 시스템에 최적의 트레이드오프를 나타낸다.

주요 결과

• SIMON, SPECK, Piccolo 는 종합적인 평가 지표에 기반해 하드웨어 구현에서 최고의 성능을 보인 경량 블록 암호로 나타났다.
• 이 세 암호는 가장 높은 Figure of Merit(FoM)를 기록하여 면적 효율성과 스루풋 성능 간 최고의 균형을 이룬 것으로 나타났다.
• 평가 결과, SIMON 과 SPECK 는 특히 낮은 게이트 수와 높은 스루풋을 보여, 초제약 환경에 적합함을 입증했다.
• Piccolo 는 특히 저면적 FPGA 및 ASIC 실현에서 면적 효율성 측면에서 뛰어난 성능을 보였다.