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ARIA/AES 기반 GCM 인증암호를 지원하는 암호 프로세서
성병윤,김기쁨,신경욱,Sung, Byung-Yoon,Kim, Ki-Bbeum,Shin, Kyung-Wook 한국전기전자학회 2018 전기전자학회논문지 Vol.22 No.2
블록암호 알고리듬 ARIA, AES를 기반으로 GCM (Galois/Counter Mode) 인증암호를 지원하는 암호 프로세서를 경량화 구현하였다. 설계된 암호 프로세서는 블록암호를 위한 128 비트, 256 비트의 두 가지 키 길이와 5가지의 기밀성 운영모드 (ECB, CBC, OFB, CFB, CTR)도 지원한다. 알고리듬 특성을 기반으로 ARIA와 AES를 단일 하드웨어로 통합하여 구현하였으며, CTR 암호연산과 GHASH 연산의 효율적인 동시 처리를 위해 $128{\times}12$ 비트의 부분 병렬 GF (Galois field) 곱셈기를 적용하여 전체적인 성능 최적화를 이루었다. ARIA/AES-GCM 인증암호 프로세서를 FPGA로 구현하여 하드웨어 동작을 확인하였으며, 180 nm CMOS 셀 라이브러리로 합성한 결과 60,800 GE로 구현되었다. 최대 동작 주파수 95 MHz에서 키 길이에 따라 AES 블록암호는 1,105 Mbps와 810 Mbps, ARIA 블록암호는 935 Mbps와 715 Mbps, 그리고 GCM 인증암호는 138~184 Mbps의 성능을 갖는 것으로 평가되었다. This paper describes a lightweight implementation of a cryptographic processor supporting GCM (Galois/Counter Mode) authenticated encryption (AE) that is based on the two block cipher algorithms of ARIA and AES. It also provides five modes of operation (ECB, CBC, OFB, CFB, CTR) for confidentiality as well as the key lengths of 128-bit and 256-bit. The ARIA and AES are integrated into a single hardware structure, which is based on their algorithm characteristics, and a $128{\times}12-b$ partially parallel GF (Galois field) multiplier is adopted to efficiently perform concurrent processing of CTR encryption and GHASH operation to achieve overall performance optimization. The hardware operation of the ARIA/AES-GCM AE processor was verified by FPGA implementation, and it occupied 60,800 gate equivalents (GEs) with a 180 nm CMOS cell library. The estimated throughput with the maximum clock frequency of 95 MHz are 1,105 Mbps and 810 Mbps in AES mode, 935 Mbps and 715 Mbps in ARIA mode, and 138~184 Mbps in GCM AE mode according to the key length.
P-224 ECC와 2048-비트 RSA를 지원하는 공개키 암호 프로세서
성병윤,이상현,신경욱,Sung, Byung-Yoon,Lee, Sang-Hyun,Shin, Kyung-Wook 한국전기전자학회 2018 전기전자학회논문지 Vol.22 No.3
FIPS 186-2에 정의된 224-비트 소수체 타원곡선 암호와 2048-비트 키길이의 RSA 암호를 단일 하드웨어로 통합 구현한 공개키 암호 프로세서 EC-RSA를 설계하였다. ECC의 스칼라 곱셈과 RSA의 멱승 연산에 공통으로 사용되는 유한체 연산장치를 32 비트 데이터 패스로 구현하였으며, 이들 연산장치와 내부 메모리를 ECC와 RSA 연산에서 효율적으로 공유함으로써 경량화된 하드웨어로 구현하였다. EC-RSA 프로세서를 FPGA에 구현하여 하드웨어 동작을 검증하였으며, 180-nm CMOS 셀 라이브러리로 합성한 결과 11,779 GEs와 14 kbit의 RAM으로 구현되었고, 최대 동작 주파수는 133 MHz로 평가되었다. ECC의 스칼라 곱셈 연산에 867,746 클록 사이클을 소요되어 34.3 kbps의 처리율을 가지며, RSA의 복호화 연산에 26,149,013 클록 사이클이 소요되어 10.4 kbps의 처리율을 갖는 것으로 평가되었다. A public-key cryptography processor EC-RSA was designed, which integrates a 224-bit prime field elliptic curve cryptography (ECC) defined in the FIPS 186-2 as well as RSA with 2048-bit key length into a single hardware structure. A finite field arithmetic core used in both scalar multiplication for ECC and exponentiation for RSA was designed with 32-bit data-path. A lightweight implementation was achieved by an efficient hardware sharing of the finite field arithmetic core and internal memory for ECC and RSA operations. The EC-RSA processor was verified by FPGA implementation. It occupied 11,779 gate equivalents (GEs) and 14 kbit RAM synthesized with a 180-nm CMOS cell library and the estimated maximum clock frequency was 133 MHz. It takes 867,746 clock cycles for ECC scalar multiplication resulting in the estimated throughput of 34.3 kbps, and takes 26,149,013 clock cycles for RSA decryption resulting in the estimated throughput of 10.4 kbps.
성병윤,신경욱,Sung, Byung-Yoon,Shin, Kyung-Wook 한국정보통신학회 2019 한국정보통신학회논문지 Vol.23 No.12
Described in this paper is a design of hardware accelerator for implementing public-key cryptographic protocols (PKCPs) based on Elliptic Curve Cryptography (ECC) and RSA. It supports five elliptic curves (ECs) over GF(p) and three key lengths of RSA that are defined by NIST standard. It was designed to support four point operations over ECs and six modular arithmetic operations, making it suitable for hardware implementation of ECC- and RSA-based PKCPs. In order to achieve small-area implementation, a finite field arithmetic circuit was designed with 32-bit data-path, and it adopted word-based Montgomery multiplication algorithm, the Jacobian coordinate system for EC point operations, and the Fermat's little theorem for modular multiplicative inverse. The hardware operation was verified with FPGA device by implementing EC-DH key exchange protocol and RSA operations. It occupied 20,800 gate equivalents and 28 kbits of RAM at 50 MHz clock frequency with 180-nm CMOS cell library, and 1,503 slices and 2 BRAMs in Virtex-5 FPGA device. ECC (Elliptic Curve Cryptography)와 RSA를 기반으로 하는 다양한 공개키 암호 프로토콜 구현을 지원하는 하드웨어 가속기 설계에 관해 기술한다. NIST 표준으로 정의된 소수체 상의 5가지 타원곡선과 3가지 키길이의 RSA를 지원하며 또한, 4가지 타원곡선 점 연산과 6가지 모듈러 연산을 지원하도록 설계되어 ECC와 RSA 기반 다양한 공개키 암호 프로토콜의 하드웨어 구현에 응용될 수 있다. 저면적 구현을 위해 내부 유한체 연산회로는 32 비트의 데이터 패스로 설계되었으며, 워드 기반 몽고메리 곱셈 알고리듬, 타원곡선 점 연산을 위해서는 자코비안 좌표계, 그리고 모듈러 곱의 역원 연산을 위해서는 페르마 소정리를 적용하였다. 설계된 하드웨어 가속기를 FPGA 디바이스에 구현하여 EC-DH 키교환 프로토콜과 RSA 암호·복호 둥작을 구현하여 하드웨어 동작을 검증하였다. 180-nm CMOS 표준 셀 라이브러리로 합성한 결과, 50 MHz 클록 주파수에서 20,800 등가게이트와 28 kbit의 RAM으로 구현되었으며, Virtex-5 FPGA 디바이스에서 1,503 슬라이스와 2개의 BRAM으로 구현되었다.