[论文解读] Software Implementation And Evaluation Of Lightweight Symmetric Block Ciphers Of The Energy Perspectives And Memory

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

Quantum-Dot Cellular Automata被引用 11

一句话总结

本文评估了轻量级对称分组密码——特别是SPECK(64,96)和TWINE-80——在Atmega128微处理器上的能效和内存使用情况。这些密码算法以软件形式实现，通过测量功耗和内存占用进行基准测试，结果表明SPECK(64,96)在资源受限的无线传感器网络中能效最优，而TWINE-80在内存使用方面最为高效。

ABSTRACT

Lightweight ciphers are the form of encryption that strictly limited to devices such as tags, RFID, wireless sensor networks applications. Low-resource devices has many limitations in power, energy and memory. In this work, the lightweight block ciphers is implemented on the Atmega128 microprocessor and the results of the energy perspectives and memory were assessed. The results of the evaluation show that the SPECK(64,96) cipher has been the best value of the perspective of energy and is appropriate for wireless sensor networks with the main requirement of energy. If the measure is memory usage, the TWINE-80 is the most appropriate implemented lightweight ciphers on the Atmega128 microprocessor. The SPECK(64,96) cipher is in third place of the perspective of consumer memory. In other side, TWINE-80 cipher is In the second place of the perspective of energy. SPECK(64,96) and TWINE-80 ciphers are the most appropriate for wireless sensor networks.

研究动机与目标

• 评估轻量级分组密码在资源受限环境下的能效和内存效率。
• 基于功耗和内存约束，识别最适合无线传感器网络（WSNs）的对称密码。
• 评估选定密码在Atmega128微处理器上的软件实现性能。
• 比较SPECK(64,96)、TWINE-80及其他轻量级密码在能耗和内存占用方面的表现。
• 为低功耗、低内存嵌入式系统中的密码选择提供实证数据。

提出的方法

• 在Atmega128微控制器上实现轻量级分组密码，包括SPECK(64,96)、TWINE-80及其他算法。
• 通过功耗监测工具在加密操作期间测量能量消耗。
• 通过分析编译后的代码大小和静态内存分配，量化内存使用情况。
• 在相同条件下执行基准测试，以确保不同密码之间的公平比较。
• 采用标准软件开发实践，并使用优化的汇编级代码进行性能评估。
• 基于两个主要指标评估结果：能效（每次加密的焦耳数）和内存占用（字节数）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Atmega128微处理器上，哪种轻量级分组密码的能耗最低？
• RQ2 在Atmega128上的软件实现中，哪种密码的内存使用最少？
• RQ3 SPECK(64,96)和TWINE-80在能效和内存效率方面如何比较？
• RQ4 所评估的密码之间在能效与内存使用之间存在何种权衡？
• RQ5 哪种密码最适合在资源受限的无线传感器网络中部署？

主要发现

• SPECK(64,96)在所有评估的密码中表现出最低的能耗，因此在资源受限的应用中最为理想。
• TWINE-80表现出最小的内存占用，其内存效率优于其他密码。
• SPECK(64,96)在内存使用方面排名第三，表明尽管其能效优异，但仍存在中等程度的内存开销。
• TWINE-80在能耗方面排名第二，显示出在功耗使用方面平衡但非最优的表现。
• SPECK(64,96)和TWINE-80被确定为无线传感器网络中最合适的密码，因其互补的优势。
• 评估结果证实，密码选择必须根据部署环境中的主要系统约束——能效或内存——来决定。