[논문]32-bit RISC-V 프로세서 상에서의 경량 블록 암호 SIMECK, SIMON 카운터 운용 모드 최적 구현

심민주; 권혁동; 오유진; 송민호; 서화정

doi:10.13089/jkiisc.2023.33.2.165

32-bit RISC-V 프로세서 상에서의 경량 블록 암호 SIMECK, SIMON 카운터 운용 모드 최적 구현
Optimized Implementation of Lightweight Block Cipher SIMECK and SIMON Counter Operation Mode on 32-Bit RISC-V Processors 원문보기

情報保護學會論文誌 = Journal of the Korea Institute of Information Security and Cryptology, v.33 no.2, 2023년, pp.165 - 173

심민주 (한성대학교) , 권혁동 (한성대학교) , 오유진 (한성대학교) , 송민호 (한성대학교) , 서화정 (한성대학교)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 32-bit RISC-V 프로세서 상에서 경량 블록 암호인 SIMECK과 SIMON의 카운터 운용 모드에 대한 최적 구현을 제안한다. CTR 운용 모드의 특징을 활용하여 일부 값을 사전 연산하는 라운드 함수 최적화, 단일평문 최적화와 2개의 평문 병렬 최적화를 제안한다. RISC-V 상에서의 SIMECK과 SIMON에 대한 선행 연구 결과가 존재하지 않기 때문에 단일 평문 최적화와 2개의 평문 병렬 최적화 구현물에 대해 사전 연산 기법이 적용된 구현물과 사전 연산이 적용되지 않은 구현물의 성능을 비교하였다. 결과적으로, 사전 연산 기법이 적용된 구현물은 사전 연산이 적용되지 않은 구현물 대비 모두 1%의 성능 향상을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose an optimal implementation of lightweight block ciphers, SIMECK and SIMON counter operation mode, on a 32-bit RISC-V processor. Utilizing the characteristics of the CTR operating mode, we propose round function optimization that precomputes some values, single plaintext optimization and two plaintext parallel optimization. Since there are no previous research results on SIMECK and SIMON on RISC-V, we compared the performance of implementations with and without precomputation techniques for single plaintext optimization and two plaintext parallel optimization implementations. As a result, the implementations to which the precomputation technique was applied showed a performance improvement of 1% compared to the implementations to which precomputation was not applied.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Round function of SIMECK.
표 Table 1. List of SIMECK ciphers and their parameters.
표 Table 2. List of SIMON ciphers and their parameters.
그림 Fig. 2. Round function of SIMON.
표 Table 3. Purpose of registers in RISC-V processors.
표 Table 4. Instruction of RISC-V processors.
그림 Fig. 4. Process of Left Rotation 1 in SIMECK-32/64.
그림 Fig. 5. Register internal alignment in SIMECK-64/128.
그림 Fig. 3. Register internal alignment in SIMECK-32/64.
그림 Fig. 6. Process of Left Rotation 5 in SIMECK-64/128.
그림 Fig. 7. Omitable part due to Nonce value of SIMECK.
그림 Fig. 8. Omitable part due to Nonce value of SIMON.
표 Table 5. Evaluation result on RISC-V.

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 논문에서는 32-bit RISC-V 프로세서 상에서 SIMECK과 SIMON 카운터 운용 모드 최적 구현을 최초로 제안한다. 제안 기법은 SIMECK과 SIMON에 대해 단일 평문 최적 구현과 2개의 평문 병렬 최적 구현 기법과 고정된 nonce 값을 활용하는 CTR 운용모드의 특징을 활용한 사전 연산을 통한 연산 생략 구현을 제안한다.

제안 방법

결과적으로, 단일 평문에 대한 구현은 사전 연산을 통해 2번의 XOR 연산, 6번의 쉬프트 연산, OR 연산 3번, 1번의 AND 연산을 생략하였다. 2개의 평문에 대한 병렬 구현은 사전 연산을 통해 10번의 XOR 연산, 10번의 쉬프트 연산, 12번의 AND 연산, 2번의 MV 연산을 생략하였다.
제안 기법은 SIMECK과 SIMON에 대해 단일 평문 최적 구현과 2개의 평문 병렬 최적 구현 기법과 고정된 nonce 값을 활용하는 CTR 운용모드의 특징을 활용한 사전 연산을 통한 연산 생략 구현을 제안한다. SIMECK-32/64, SIMECK-64/128, SIMON-64/128에 대해 단일 평문과 2개의 평문이 병렬된 구현에 적합한 사전 연산을 하여 각각 적용하여 연산을 생략하였다. 그 결과, 본 논문에서 제안하는 6개의 구현물에 대해 사전 연산이 적용된 최적 구현은 적용되지 않은 최적 구현 대비 모두 1%의 성능 향상을 확인하였다.
SIMECK은 CHES'15에서 발표된 Feistel 구조인 경량 블록 암호 알고리즘이다. SIMECK은 NSA (National Security Agency)에서 개발한 경량 블록 암호인 SIMON의 라운드 함수를 수정하고, SPECK과 유사한 키 스케줄링을 사용한다. SIMECK의 각각의 암호화에 대한 파라미터는 Table 1.
단일 평문 구현과 2개의 평문을 병렬 구현은 사전 연산을 통해 동일하게 3번의 XOR 연산, 2번의 로테이션 연산을 구현하기 위해 사용된 4번의 쉬프트 연산, 5번의 AND 연산을 생략하였다. 암호화가 시작되기 전, 서로 다른 2개의 평문이 연속 정렬 되게 사전에 레지스터 내부 정렬을 진행해 주기 때문에 단일 평문과 2개의 평문을 병렬 구현은 사전 연산을 통한 생략된 연산이 동일하다.
16-bit 블록 단위로 연산하는 SIMECK–32/64를 구현하기 위해 32-bit 레지스터의 절반만 사용하여 하나의 평문만 암호화하는 것은 효율적이지 않다. 따라서, 32-bit 레지스터를 모두 활용하기 위해 2개의 평문에 대한 암호화를 진행하는 병렬 구현을 수행하였다. Fig.
본 논문에서는 32-bit RISC-V 프로세서 상에서 SIMECK과 SIMON 카운터 운용 모드 최적 구현을 최초로 제안한다. 제안 기법은 SIMECK과 SIMON에 대해 단일 평문 최적 구현과 2개의 평문 병렬 최적 구현 기법과 고정된 nonce 값을 활용하는 CTR 운용모드의 특징을 활용한 사전 연산을 통한 연산 생략 구현을 제안한다. SIMECK-32/64, SIMECK-64/128, SIMON-64/128에 대해 단일 평문과 2개의 평문이 병렬된 구현에 적합한 사전 연산을 하여 각각 적용하여 연산을 생략하였다.

대상 데이터

따라서, 32-bit 레지스터의 절반인 16-bit만 사용하여 구현하였다. SIMECK-64/128과 SIMON-64/128은 워드 사이즈가 32-bit이기 때문에 32-bit 레지스터를 모두 활용하여 사용하여 구현하였다. RISC-V에서는 로테이션 명령어를 제공하지 않아 쉬프트 연산과 XOR 연산을 이용하여 구현하였다.
SIMECK-64/128은 평문 길이가 64-bit로, 두 개의 블록은 각각 32-bit로 나뉘기 때문에 하나의 블록은 카운터 값으로 사용하였다. SIMECK-64/128도 SIMECK-32/64와 동일한 라운드 구조를 갖고 있기 때문에 동일한 부분의 연산에 대한 생략이 가능하다.

데이터처리

32-bit RISC-V 프로세서 상에서의 SIMECK과 SIMON 최적 구현에 관한 기존 연구가 없기 때문에, SIMECK과 SIMON의 Reference-c과 제안하는 기법이 적용된 구현에 대해 Clock Cycles을 측정하여 성능을 비교하였다.
본 장에서는 SiFive 사의 HiFive1 Rev B 플랫폼인 RISC-V를 활용하여 제안 기법에 대한 성능을 비교한다. RISC-V는 4MB의 Quad SPI 플래시 메모리, E31 core가 탑재되어 있기 때문에 320MHz로 연산이 수행된다.

이론/모형

RISC-V는 4MB의 Quad SPI 플래시 메모리, E31 core가 탑재되어 있기 때문에 320MHz로 연산이 수행된다. 구현과 성능 측정은 SiFive 사에서 제공하는 Freedom Studio 프레임 워크를 사용하였다.

성능/효과

SIMECK-32/64, SIMECK-64/128, SIMON-64/ 128은 사전 연산을 통한 단일 평문 CTR 최적 구현은 레퍼런스 대비 각각 5.1배, 4.6배, 3.5배 성능 향상을 확인하였다. 그리고 사전 연산을 통한 2개의 평문 병렬 CTR 최적 구현은 레퍼런스 대비 각각 10.
3배 성능 향상을 확인하였다. 결과적으로, 단일 평문 최적화와 2개의 평문 병렬 최적화된 구현물에 대해 사전 연산 기법이 적용된 SIMECK-CTR과 SIMON-CTR 최적 구현은 사전 연산이 적용되지 않은 최적 구현 대비 1% 성능 향상을 확인하였다.
결과적으로, 단일 평문에 대한 구현은 사전 연산을 통해 2번의 XOR 연산, 6번의 쉬프트 연산, OR 연산 3번, 1번의 AND 연산을 생략하였다. 2개의 평문에 대한 병렬 구현은 사전 연산을 통해 10번의 XOR 연산, 10번의 쉬프트 연산, 12번의 AND 연산, 2번의 MV 연산을 생략하였다.
결과적으로, 단일 평문에 대한 구현은 사전 연산을 통해 3번의 XOR 연산, 4번의 쉬프트 연산, 1번의 AND 연산을 생략하였다. 2개의 평문에 대한 병렬 구현은 사전 연산을 통해 6번의 XOR 연산, 8번의 쉬프트 연산, 10번의 AND 연산을 생략하였다.
SIMECK-32/64, SIMECK-64/128, SIMON-64/128에 대해 단일 평문과 2개의 평문이 병렬된 구현에 적합한 사전 연산을 하여 각각 적용하여 연산을 생략하였다. 그 결과, 본 논문에서 제안하는 6개의 구현물에 대해 사전 연산이 적용된 최적 구현은 적용되지 않은 최적 구현 대비 모두 1%의 성능 향상을 확인하였다. 향후 과제로 다른 경량 블록 암호의 CTR 운용 모드에 대한 최적 구현을 제안한다.
5배 성능 향상을 확인하였다. 그리고 사전 연산을 통한 2개의 평문 병렬 CTR 최적 구현은 레퍼런스 대비 각각 10.6배, 3.6배, 2.3배 성능 향상을 확인하였다. 결과적으로, 단일 평문 최적화와 2개의 평문 병렬 최적화된 구현물에 대해 사전 연산 기법이 적용된 SIMECK-CTR과 SIMON-CTR 최적 구현은 사전 연산이 적용되지 않은 최적 구현 대비 1% 성능 향상을 확인하였다.
32-bit 블록 단위로 연산을 수행하는 SIMON-64/ 128은 SIMECK-64/128과 구조가 유사하다. 따라서, SIMECK-64/128과 동일하게 레지스터 내부 정렬을 수행 후, 구현 기법은 SIMECK-64/128과 동일하게 구현하였다.

후속연구

그 결과, 본 논문에서 제안하는 6개의 구현물에 대해 사전 연산이 적용된 최적 구현은 적용되지 않은 최적 구현 대비 모두 1%의 성능 향상을 확인하였다. 향후 과제로 다른 경량 블록 암호의 CTR 운용 모드에 대한 최적 구현을 제안한다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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