[论文解读] Simple SIMON: FPGA implementations of the SIMON 64/128 Block Cipher

Jos Wetzels, Wouter Bokslag|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2015

Cryptographic Implementations and Security参考文献 6被引用 10

一句话总结

本文提出了一种针对Xilinx Spartan-6 FPGA的SIMON 64/128分组密码的优化FPGA实现，采用定制硬件架构，支持加密、解密及自包含密钥调度。作者在Xilinx Spartan-6 FPGA上实现了高吞吐量与低资源占用，其中流水线设计仅使用1,056个切片即达到128.5 Mbps的吞吐量，适用于轻量级密码学应用。

ABSTRACT

In this paper we will present various hardware architecture designs for implementing the SIMON 64/128 block cipher as a cryptographic component offering encryption, decryption and self-contained key-scheduling capabilities and discuss the issues and design options we encountered and the tradeoffs we made in implementing them. Finally, we will present the results of our hardware architectures' implementation performances on the Xilinx Spartan-6 FPGA series.

研究动机与目标

• 在FPGA上设计高效且资源优化的SIMON 64/128分组密码硬件架构。
• 将自包含密钥调度集成到密码核心中，以减少对外部依赖。
• 评估并比较不同架构在面积、延迟和吞吐量之间的权衡。
• 在最小化FPGA切片使用量的前提下实现高性能，以适用于轻量级密码学应用。
• 提供一种实用且可部署的硬件解决方案，适用于资源受限的嵌入式系统。

提出的方法

• 设计多种硬件架构，包括串行、并行和流水线结构，用于实现SIMON 64/128。
• 在主密码模块内实现自包含密钥调度生成器，以消除对外部密钥输入的依赖。
• 使用移位和循环操作，并结合优化的位级操作，实现高效的轮函数计算。
• 通过添加流水线阶段来提高吞吐量，同时控制延迟和资源使用。
• 使用Xilinx Vivado将设计映射到Xilinx Spartan-6 FPGA器件上，并使用ISIM进行仿真。
• 通过资源共享和关键路径优化，提升时钟频率，实现设计优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在FPGA上实现SIMON 64/128的最高效硬件架构是什么？
• RQ2 如何高效地将自包含密钥调度集成到密码核心中？
• RQ3 在SIMON 64/128 FPGA实现中，面积、吞吐量和延迟之间存在何种权衡？
• RQ4 在Spartan-6 FPGA上，实现最小资源使用量下的最大吞吐量是多少？
• RQ5 不同的流水线和并行化策略如何影响性能和面积效率？

主要发现

• 流水线架构在Xilinx Spartan-6 XC6SLX45 FPGA上仅使用1,056个切片即实现了128.5 Mbps的吞吐量。
• 设计最高时钟频率达到165.7 MHz，可在资源受限环境中实现高速加密。
• 自包含密钥调度模块减少了对外部控制逻辑的依赖，提升了系统模块化程度。
• 串行实现使用的资源最少（329个切片），但吞吐量较低（1.2 Mbps）。
• 并行架构在中等资源使用量（640个切片）下实现了高吞吐量（105.6 Mbps），提供了良好的性能与资源平衡。
• 整体设计在轻量级和嵌入式密码学应用中表现出极强的适用性。