Acceleration of AEAD algorithms for resource-constrained embedded devices

Abstract

A quantidade de informações sensíveis e dados processados em dispositivos IoT está constantemente aumentando. Como resultado, a segurança tornou-se uma preocupação crucial. Embora a criptografia de dados seja necessária, os custos que os algoritmos de criptografia tipicamente requerem para proteger os dados raramente são toleráveis em dispositivos embarcados de baixo custo. Isso levou ao surgimento de um novo ramo de pesquisa chamado Criptografia Leve (LWC), que visa introduzir algoritmos que proporcionem níveis aceitáveis de segurança enquanto consomem o mínimo de recursos possível. Devido à crescente relevância deste campo e às muitas propostas divergentes, o National Institute of Standards and Technology (NIST) lançou uma competição para selecionar um algoritmo LWC para padronizá-lo, de forma semelhante ao que foi feito anteriormente para o AES. Em fevereiro de 2023, o algoritmo Ascon foi anunciado como o vencedor da competição, e espera-se que seja padronizado pelo NIST em 2024. Este trabalho apresenta uma avaliação comparativa entre três algoritmos de criptografia autenticada com dados associados (AEAD), Ascon, AES-128 no modo CCM e ChaCha20-Poly1305, no contexto de um processador RISC-V de baixa complexidade, considerando o algoritmo executando em software e com extensões do conjunto de instruções (ISEs), comparando seu desempenho e compromissos em uma tecnologia FDSOI de 28nm da ST Microelectronics. Os resultados apresentam uma avaliação abrangente de PPA (Potência, Desempenho e Área) para os três algoritmos AEAD, mostrando um ganho de desempenho de 95,1%, 60,3% e 5,2%, juntamente com um aumento na eficiência energética de 94,2%, 65,6% e 17,2%, para AES, Ascon e ChaCha20- Poly1305, respectivamente. O custo em área foi até 9%. Tais resultados demonstram que dispositivos com recursos limitados que criptografam um alto volume de mensagens se beneficiam significativamente da aceleração de hardware.