[论文解读] Evaluation of Lightweight Block Ciphers in Hardware Implementation: A Comprehensive Survey

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

Cryptographic Implementations and Security参考文献 6被引用 9

一句话总结

本文对轻量级分组密码进行了全面的硬件评估，采用标准化指标衡量其性能：门当量（面积）、每块的时钟周期数（速度）、吞吐量（性能）以及效率指标（综合效率）。研究发现，由于在安全性、速度和资源效率之间实现了最佳平衡，SIMON、SPECK 和 Piccolo 是硬件实现中表现最佳的密码算法。

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)

研究动机与目标

• 为满足资源受限设备在功耗、内存和面积受限环境下对高效密码解决方案日益增长的需求。
• 基于硬件特定的性能指标（如面积、速度、吞吐量和效率）评估轻量级分组密码。
• 对现有轻量级分组密码进行系统性比较，以识别最适合硬件部署的候选算法。
• 建立标准化的评估框架，采用可量化的指标（如门当量和效率指标）以实现公平的基准测试。

提出的方法

• 作者使用四种关键硬件指标评估轻量级分组密码：门当量（GE）用于衡量面积成本，每块的时钟周期数用于衡量速度，吞吐量用于衡量性能，效率指标（FoM）用于衡量综合效率。
• 评估基于文献中已发表的硬件实现结果，确保不同密码算法之间的评估具有一致性和可比性。
• 通过归一化指标对密码算法进行排名和比较，以实现在不同设计参数下的公平性能评估。
• 本研究仅关注硬件实现，不包括软件实现或侧信道攻击的考量。
• 分析涵盖广泛认可的密码算法，如 SIMON、SPECK、Piccolo、HIGHT、LED 等，选择标准为它们在资源受限环境中的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些轻量级分组密码在 FPGA 或 ASIC 实现中，在安全性、速度和硬件面积之间实现了最佳平衡？
• RQ2 不同密码算法在各种硬件平台上，其门当量（GE）、吞吐量和每块时钟周期数的表现如何？
• RQ3 当使用统一的效率指标（FoM）综合衡量面积和性能时，轻量级分组密码的相对排名如何？
• RQ4 哪些密码算法在硬件实现中表现出最高的综合效率（FoM），表明其在嵌入式系统中具有最佳的权衡性能？

主要发现

• 基于全面的评估指标，SIMON、SPECK 和 Piccolo 在硬件实现中脱颖而出，成为表现最佳的轻量级分组密码。
• 这三种密码算法获得了最高的效率指标（FoM），表明其在面积效率和吞吐量性能之间实现了最佳整体平衡。
• 评估结果表明，SIMON 和 SPECK 具有极低的门数和较高的吞吐量，特别适合超资源受限环境。
• Piccolo 在面积效率方面表现出色，尤其在低面积 FPGA 和 ASIC 实现中表现突出。