사물 인터넷 프로세서 8-bit AVR 상에서의 경량암호 TinyJAMBU 고속 최적 구현
A High Speed Optimized Implementation of Lightweight CryptographyTinyJAMBU on Internet of Things Processor 8-Bit AVR
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암호 알고리즘은 많은 연산 자원을 요구하며 복잡한 수학적 원리를 통해 보안성을 가진다. 하지만 대부분의 사물 인터넷 기기는 가용 자원이 한정적이며 그에 따라 연산 성능이 부족하다. 따라서 연산량을 적게 사용하는 경량암호가 등장하였다. 미국 국립표준기술연구소는 경량암호 표준화 공모전을 개최하여 경량암호의 원활한 보급을 꾀했다. 공모전의 알고리즘 중 하나인 TinyJAMBU는 순열 기반의 알고리즘이다. TinyJAMBU는 키 스케줄을 거치지 않는 대신 많은 순열 연산을 반복하며, 이때 시프트 연산이 주로 사용된다. 본 논문에서는 8-bit AVR 프로세서상에서 경량암호 TinyJAMBU를 고속 최적 구현하였다. 제안 기법은 시프트 연산을 반대 방향으로 하여 시프트 횟수를 최소화한 리버스 시프트 기법과 키와 논스가 고정인 환경에서 일부 연산을 사전 연산한 기법이다. 제안 기법은 순열 연산에서 최대 7.03배, TinyJAMBU 알고리즘에 적용 시 최대 5.87배 성능 향상을 보였다. 키와 논스가 고정인 환경에서는 TinyJAMBU의 알고리즘이 최대 9.19배만큼 성능이 향상되었다.
Abstract
Cryptographic algorithms require extensive computational resources and rely on complex mathematical principles for security. However, IoT devices have limited resources, leading to insufficient computing power. As a result, lightweight cryptography has emerged, which uses fewer computational resources. NIST organized a competition to standardize lightweight cryptography and TinyJAMBU, one of the algorithms in the competition, is a permutation-based algorithm that repeats many permutation operations. In this paper, we implement TinyJAMBU on an 8-bit AVR processor with a proposed technique that includes a reverse shift method and precomputing some operations in a fixed key and nonce environment. Our techniques showed a maximum performance improvement of 7.03 times in permutation operations and 5.87 times in the TinyJAMBU algorithm, improving up to 9.19 times in a fixed key and nonce environment.
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