[论文解读] Lightweight Encryption for the Low Powered IoT Devices

Muhammad Usman|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2020

Cryptographic Implementations and Security参考文献 24被引用 5

一句话总结

本文综述了专为资源受限的物联网设备设计的轻量级对称分组密码，评估其在面积、功耗和吞吐量方面的效率。文中重点介绍了 PRESENT、KATAN、Hummingbird、SIMON/SPECK、RECTANGLE 和 SIT 等算法，通过 SPN 和 Feistel 网络等优化结构，强调其在低功耗环境中的适用性，其中 SIT 仅使用 22 字节 RAM 和 5 轮加密。

ABSTRACT

The internet of things refers to the network of devices connected to the internet and can communicate with each other. The term things is to refer non-conventional devices that are usually not connected to the internet. The network of such devices or things is growing at an enormous rate. The security and privacy of the data flowing through these things is a major concern. The devices are low powered and the conventional encryption algorithms are not suitable to be employed on these devices. In this correspondence a survey of the contemporary lightweight encryption algorithms suitable for use in the IoT environment has been presented.

研究动机与目标

• 应对因数十亿台互联、资源受限的物联网设备而带来的日益严峻的安全与隐私挑战。
• 识别并评估适用于低功耗物联网设备（内存和处理能力有限）的现代轻量级密码算法。
• 对关键轻量级分组密码进行对比分析，以指导基于面积、吞吐量和能效的选型决策。
• 强调设计轻量级、可扩展且互操作的安全解决方案的重要性，确保与全球物联网标准兼容。

提出的方法

• 调查并分析了专为物联网环境设计、计算与内存开销极小的近期轻量级对称分组密码。
• 基于其对 S 盒、P 盒、Feistel 网络和 SPN（替代-置换网络）结构的使用，评估算法在安全与效率之间的平衡。
• 考察了在不同微控制器和 FPGA 平台上的实现指标，包括门等效数（GE）、时钟周期、RAM 使用量和吞吐量。
• 评估了 SIT 和 KATAN 等算法中的密钥调度机制（如异或、连接、加法和位移），以衡量其效率与安全性。
• 通过标准化基准（如吞吐量（Kbits/sec）和功耗）评估性能，尤其关注低功耗微控制器中的表现。
• 对比了不同算法的轮数与结构复杂度，指出安全性强度与计算成本之间的权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些轻量级分组密码最适合部署在低功耗、资源受限的物联网设备上？
• RQ2 SPN、Feistel 和混合设计等不同密码结构如何影响物联网中轻量级加密的效率与安全性？
• RQ3 轻量级密码在安全性强度、吞吐量与资源消耗（如门等效数、RAM 使用量）之间存在何种权衡？
• RQ4 近期算法如 SIT 和 RECTANGLE 如何在极小的硬件面积下实现高吞吐量？
• RQ5 轻量级密码在异构物联网环境中，能在多大程度上实现软硬件部署的优化？

主要发现

• SIT 在低成本微控制器上实现解密仅需 22 字节 RAM 和 2984 个时钟周期，展现出卓越的内存效率。
• SIT 仅需 5 轮即可完成加密与解密，相比使用 254 轮的 KATAN，显著降低了能耗。
• SIT 的 FPGA 实现吞吐量达到 5682.56 Kbits/sec，较 LEA 高出 180%，表明其具备出色的硬件可扩展性。
• PRESENT 实现 64 位分组加密需 1570 个门等效数（GE）和 32 个时钟周期，适用于资源中等受限的设备。
• KATAN 的面积比 PRESENT 减少 48%，但因使用 254 轮导致功耗过高，凸显了面积与吞吐量之间的权衡。
• RECTANGLE 在 100 KHz 时钟下，使用 1600 个门实现 80 位密钥，吞吐量达 246 Kbits/sec，表明其在位切片硬件实现中表现强劲。