[论文解读] VLSI Implementation of Cryptographic Algorithms & Techniques: A Literature Review

Favin Fernandes, Gauravi Dungarwal+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2021

Cryptographic Implementations and Security参考文献 40被引用 2

一句话总结

本文献综述探讨了VLSI实现的加密算法，重点研究基于FPGA的硬件加速技术，用于安全数据加密与解密。评估了包括私钥文本转图像加密、基于DNA的加密以及基于索引的AES在内的技术，展示了高达853.7 Mbps的吞吐量和通过大密钥空间（例如DNA密钥的4^256）实现的强安全性，结果表明这些技术在硬件上具备实时安全通信的可行性与鲁棒性。

ABSTRACT

Through the years, the flow of Data and its transmission have increased tremendously and so has the security issues to it. Cryptography in recent years with the advancement of VLSI has led to its implementation of Encryption and Decryption techniques, where the process of translating and converting plaintext into cypher text and vice versa is made possible. In this paper, the review of various aspects of VLSI's implementation of encryption and decryption are covered. To systemize the material, the information about topics such as Private Key Encryption, Index Technique, Blowfish Algorithm, DNA cryptography, and many more are reviewed. Ultimately, with this review, the basic understanding of different VLSI techniques of Encryption and Decryption can be studied and implemented.

研究动机与目标

• 调查基于VLSI的现代加密算法实现，以增强数据安全性。
• 分析基于FPGA的硬件解决方案，平衡性能、功耗效率以及对物理攻击的抵抗能力。
• 评估新兴技术如DNA加密和基于索引的AES，以提升密钥空间与安全性。
• 为研究人员提供VLSI加密中设计权衡与实现策略的全面概述。

提出的方法

• 在FPGA（Xilinx Spartan-3E）上实现私钥文本转图像加密，将每个字符映射为随机的RGB像素值（0–255）。
• 采用基于DNA的加密，利用核苷酸序列（A、C、G、T）生成大密钥空间（4^64至4^256），以增强安全性。
• 在类似AES的加密中应用索引技术，将密钥存储在FPGA的LUT中，以消除用户密钥输入，确保密钥自动应用。
• 使用Xilinx ISE进行FPGA综合与仿真，针对Spartan-3和Virtex-5器件进行性能基准测试。
• 设计端到端的加密/解密流水线，采用固定轮数、通过LUT实现密钥加法，以及通过位移操作实现输出变换。
• 生成时序报告，测量不同FPGA器件上的最大频率、延迟和吞吐量。

实验结果

研究问题

• RQ1 VLSI架构在多大程度上可提升AES和Blowfish等加密算法的速度与安全性？
• RQ2 与ASIC或通用处理器（GPP）相比，FPGA在加密硬件实现方面有何优势？
• RQ3 基于DNA的加密如何扩大密钥空间并增强对暴力破解攻击的抵抗能力？
• RQ4 基于索引的密钥存储在多大程度上可提升安全性并简化嵌入式系统中的部署？
• RQ5 在不同FPGA平台上的VLSI实现中，性能权衡如何体现？

主要发现

• VLSI实现的最高吞吐量达到853.7 Mbps（在Virtex-5 FPGA上），证明了其在实时应用中高速数据处理的能力。
• 基于DNA的AES加密实现了4^64个密码子的密钥空间，将成功猜中密钥的概率降低至1 / (1.63×10^8 × 16! × 4 × 4^64)。
• 基于索引的技术通过LUT实现密钥自动应用，消除了用户输入密钥的需求，从而提升了安全性和易用性。
• 文本转图像加密方法每字符使用24位密钥（26个字母共64位），使暴力破解在计算上不可行。
• 在Virtex-5上最高频率达到419.674 MHz，最小周期为2.383 ns，表明其具备高性能运行能力。
• 安全分析确认，基于DNA的PCR编码提供了4^256的密钥空间，显著增强了对密码分析攻击的抵抗能力。