[论文解读] A simple 1-byte 1-clock RC4 design and its efficient implementation in FPGA coprocessor for secured ethernet communication

Rourab Paul, Sangeet Saha+4 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2012

Chaos-based Image/Signal Encryption参考文献 7被引用 6

一句话总结

本文提出了一种新颖的1字节/1时钟RC4硬件设计，通过双沿触发和基于MUX-DEMUX的交换机制，每时钟周期处理一个字节，实现了最大吞吐量。该设计在FPGA协处理器上实现，支持高速、低功耗的安全以太网通信，并通过NIST统计测试套件验证了加密强度足够的密钥流。

ABSTRACT

In the field of cryptography till date the 1-byte in 1-clock is the best known RC4 hardware design [1], while the 1-byte in 3clocks is the best known implementation [2,3]. The design algorithm in [1] considers two consecutive bytes together and processes them in 2 clocks. The design of 1-byte in 3-clocks is too much modular and clock hungry. In this paper considering the RC4 algorithm, as it is, a simpler RC4 hardware design providing higher throughput is proposed in which 1-byte is processed in 1-clock. In the design two sequential tasks are executed as two independent events during rising and falling edges of the same clock and the swapping is directly executed using a MUX-DEMUX combination. The power consumed in behavioral and structural designs of RC4 are estimated and a power optimization technique is proposed. The NIST statistical test suite is run on RC4 key streams in order to know its randomness property. The encryption and decryption designs are respectively embedded on two FPGA boards with RC4 in a custom coprocessor followed by Ethernet communication.

研究动机与目标

• 为克服现有RC4硬件设计的吞吐量限制，这些设计通常每3个时钟周期处理一个字节。
• 开发一种更简单、更高效的RC4架构，每时钟周期处理一个字节，且不增加硬件复杂度。
• 在基于FPGA的协处理器上实现该设计，以支持实时安全以太网通信。
• 优化行为和结构化RC4设计实现中的功耗。
• 通过NIST统计测试套件验证生成的密钥流的随机性和加密强度。

提出的方法

• 该设计采用双沿触发——在同一个时钟周期的上升沿和下降沿分别执行两个连续任务——实现1字节/1时钟操作。
• 使用MUX-DEMUX组合直接执行RC4算法中的状态交换操作，消除了复杂的控制逻辑。
• 采用VHDL中的行为和结构化建模方法实现该架构，用于FPGA综合与优化。
• 估算两种设计风格的功耗，并应用一种专用的功耗优化技术以降低动态和静态功耗。
• 生成RC4密钥流，并将其提交至完整的NIST统计测试套件以验证其随机性。
• 加密和解密模块部署在独立的FPGA板卡上，集成至自定义协处理器中，用于保护以太网通信。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否以最小复杂度和最大吞吐量实现1字节/1时钟的RC4硬件设计？
• RQ2 双沿操作如何在不增加硬件开销的情况下实现每时钟周期处理一个字节？
• RQ3 MUX-DEMUX交换机制对面积、速度和功耗效率有何影响？
• RQ4 与传统的1字节/3时钟RC4实现相比，该设计的功耗如何？
• RQ5 生成的密钥流是否具备足够的随机性以满足加密用途，经NIST测试套件验证？

主要发现

• 所提出的1字节/1时钟RC4设计实现了最高的可能吞吐量，每时钟周期处理一个字节，优于以往的1字节/3时钟设计。
• 采用双沿操作与MUX-DEMUX交换机制可减少控制逻辑复杂度，并在不提高时钟频率的情况下实现高速运行。
• 通过所提出的优化技术，功耗显著降低，动态功耗和静态功耗均有明显改善。
• RC4密钥流通过了NIST统计测试套件中的所有测试，证实其具有强随机性并具备加密适用性。
• 基于FPGA的协处理器成功实现了低延迟、高吞吐量的实时安全以太网通信。
• 该实现表明，一种简单、高效且安全的RC4硬件设计在嵌入式和网络应用中是可行的。