Projeto, implementação e desempenho dos algoritmos criptográficos AES, PRESENT e CLEFIA em FPGA

• Main Author: Maia, William Pedrosa
• Other Authors: Moreno Ordonez, Edward David
• Format: Others
• Language: Portuguese
• Published: Universidade Federal de Sergipe 2017
• Subjects: Engenharia elétrica; Criptografia; Sistemas embarcados; Algoritmos; Arranjos de lógica programável em campo; Criptografia leve; Algoritmo AES; Algoritmo PRESENT; Algoritmo CLEFIA; Arranjo de Portas Programáveis em Campo; Field-programmable Gate Array (FPGA); Lightweight cryptography; Embedded systems; ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
• Online Access: https://ri.ufs.br/handle/riufs/5029

The development of dedicated cryptography systems for applications requiring low cost and consumption has been the current focus of research. This work addresses the design and performance analysis of cryptographic algorithms AES-128 (NIST standard), PRESENT-80 and CLEFIA-128 (ISO/IEC standard for Lightweight Cryptography), im-plemented in FPGA (Basys 3 Artix-7 - 28 nm technology) using VHDL. Performance metrics were analyzed and compared: occupied area in the FPGA, throughput (Mbps), efficiency (Mbps/slice), energy efficiency (Ws/bit) and current consumption. The metrics were obtained through the synthesis and implementation tool in FPGA, Vivado Design Suites (Xilinx), and by means of a current measurement prototype, which uses the Ada-fruit INA219 sensor board (Sensor from Texas Instruments) and microcontroller Arduino Uno (Atmega328 - Atmel). We also analyzed the graphical representation of current con-sumption through the mathematical model based on the Welch periodogram, applied on the current consumption variables during the data encryption process. The results show current curves that facilitate the identification and comparison of the algorithms. The data of area consumption, processing speed and efficiency in the FPGA obtained satisfactory performance in comparison with other implementations existing in the literature, besides providing relevant information to choose an algorithm of encryption. === O desenvolvimento de sistemas dedicados de criptografia, para aplicações que exigem baixo custo e consumo tem sido enfoque atual de pesquisas. Este trabalho aborda o projeto e análise de desempenho dos algoritmos de criptografia AES-128 (padrão NIST), PRESENT-80 e CLEFIA-128 (padrão ISO/IEC para Criptografia Leve), implementados em FPGA (Basys 3 Artix-7 – tecnologia de 28 nm), utilizando VHDL. Foram analisadas e comparadas as métricas de desempenho: área ocupada no FPGA, velocidade de proces-samento (Mbps), eficiência (Mbps/slice), eficiência energética (Ws/bit) e consumo de corrente. As métricas foram obtidas através da ferramenta de síntese e implementação em FPGA, Vivado Design Suites (Xilinx), e por meio de um protótipo de medição de corrente, que utiliza a placa sensor Adafruit INA219 (sensor da Texas Instruments) e microcontro-lador Arduino Uno (Atmega328 - Atmel). Foram analisadas também a representação grá-fica do consumo de corrente através do modelo matemático baseado no periodograma de Welch, aplicado sobre as variáveis de consumo de corrente durante o processo de encrip-tação de dados. Os resultados mostram curvas de corrente que facilitam a identificação e comparação dos algoritmos. Os dados de consumo de área, velocidade processamento e eficiência no FPGA obtiveram desempenho satisfatório, em comparação com outras im-plementações existentes na literatura, além de fornecer informação relevante para escolha de um algoritmo de criptografia.