[논문]사물 인터넷 프로세서 8-bit AVR 상에서의 경량암호 TinyJAMBU 고속 최적 구현

권혁동; 엄시우; 심민주; 양유진; 서화정

doi:10.13089/jkiisc.2023.33.2.183

초록
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암호 알고리즘은 많은 연산 자원을 요구하며 복잡한 수학적 원리를 통해 보안성을 가진다. 하지만 대부분의 사물인터넷 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 순열연산에서 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 ▼ AI-Helper

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 resourc...

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 proposedtechnique 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.

주제어

표/그림 (13)

표 Table 1. Finalist of NIST lightweight cryptography standardization competition.
그림 Fig. 1. Structure of Nonlinear Feedback Shift Register.
표 Table 2. Pseudo code of the keyed permutation.
표 Table 3. Number of keyed permutation list.
그림 Fig. 2. Registers allocation plan.
그림 Fig. 3. Computation steps of original s[2] values.
표 Table 4. Instruction set list.
그림 Fig. 4. Reverse shift technique for s[2] values.
그림 Fig. 5. Computation steps of original s[3] values.
그림 Fig. 6. Reverse shift technique for s[3] values.
표 Table 5. Number of shifts list.
표 Table 6. Results of keyed permutation evaluation. (N: Normal, O: Optimized, R: Reverse shift, Diff: Clock cycles difference with the proposed technique, Unit: clock cycles)
표 Table 7. Results of TinyJAMBU evaluation. (N: Normal, O: Optimized, R: Reverse shift, I: Initialization skip, Unit: clock cycles)

AI 본문요약
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문제 정의

전체적으로 Keyed permutation은 반복 횟수가 매우 많으므로 TinyJAMBU의 연산 중에서 가장 큰 부하를 일으킨다. 따라서 본 논문에서는 keyed permutation을 최적화하고 그 횟수를 줄이는 것에 집중하여 TinyJAMBU를 고속 최적 구현한다.
본 논문에서는 경량암호 공모전의 출품작 중 하나인 TinyJAMBU를 8-bit AVR 프로세서 상에서 최적 구현하였다. 제안하는 기법은 크게 두 가지이다.

제안 방법

본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서 경량암호 공모전과 TinyJAMBU에 대해서 확인하며 대상 프로세서인 AVR 프로세서와 다른 경량암호 구현 동향에 대해 알아본다. 3장에서는 제안하는 기법인 리버스 시프트와 초기화 사전 연산 기법을 소개한다.
제안 기법은 크게 두 종류로 keyed permutation의 내부를 최적화한 리버스 시프트 기법, 그리고 키와 논스를 재사용하는 환경에서 사용 가능한 초기화 생략 방법을 제안한다.
제안하는 기법은 주로 AVR의 어셈블리 명령어를 사용하여 구현한다. 실제 사용한 명령어는 표 4의 명령어들을 사용하였다[12].
즉 제안하는 기법은 시프트 횟수를 줄여서 연산 효율을 높이는 데 집중하였다. 표 5에서는 기존 기법과 제안하는 기법의 시프트 횟수 차이를 한눈에 확인할 수 있도록 전체 시프트 횟수를 정리해두었다.

대상 데이터

구현은 Microchip Studio 프레임워크를 사용하여 구현하였으며, ATmega128 프로세서를 대상으로 한다. 컴파일 옵션으로 –O3(fastest)를 적용하고 평문 길이는 8바이트를 사용하였다.
대상 프로세서는 8-bit AVR 마이크로컨트롤러이다. AVR 프로세서는 8-bit 프로세서로 하나의 레지스터가 8-bit까지 저장할 수 있다.

데이터처리

성능 평가 단위는 clock cycles를 사용하였다. 우선 keyed permutation의 성능 비교를 진행한다. 비교 결과는 표 6과 같다.

이론/모형

컴파일 옵션으로 –O3(fastest)를 적용하고 평문 길이는 8바이트를 사용하였다. 성능 평가 단위는 clock cycles를 사용하였다. 우선 keyed permutation의 성능 비교를 진행한다.

성능/효과

Keyed permutation의 비교 결과, 최소 5.60배에서 최대 7.03배 더 좋은 성능을 지니는 것을 확인할 수 있다. 이는 제안하는 기법이 더 적은 시프트를 통해 기존보다 빠른 속도로 keyed permutation을 종료하는 것을 알 수 있다.
표 7은 기존 TinyJAMBU와 본 논문에서 제안한 최적화 기법을 적용한 TinyJAMBU의 비교 결과를 보여준다. 비교 결과 리버스 시프트를 적용하였을 때는 기존 대비 최소 5.60배에서 최대 5.87배 더 좋은 성능을 가졌다. 그리고 초기화 생략 기법을 적용한다면 그 차이는 최대 9.
03배 더 좋은 성능을 지니는 것을 확인할 수 있다. 이는 제안하는 기법이 더 적은 시프트를 통해 기존보다 빠른 속도로 keyed permutation을 종료하는 것을 알 수 있다.
특이사항으로 finalization의 횟수는 두 가지가 있는데, 이는 태그 값의 finalization 과정에서 전반부는 1024회, 후반부는 640회를 하기 때문이다. 전체적으로 Keyed permutation은 반복 횟수가 매우 많으므로 TinyJAMBU의 연산 중에서 가장 큰 부하를 일으킨다. 따라서 본 논문에서는 keyed permutation을 최적화하고 그 횟수를 줄이는 것에 집중하여 TinyJAMBU를 고속 최적 구현한다.
19배까지 성능 차이가 발생한다. 초기화 생략 기법은 기존 알고리즘에도 손쉽게 적용할 수 있으며, 기존 알고리즘에만 적용할 경우 약 80% 정도의 성능 개선을 확인할 수 있다. 이는 어셈블리 명령어를 사용한 방법이 아니므로 AVR이 아닌 다른 환경에서 TinyJAMBU를 사용할 때도 적용할 수 있다.

참고문헌 (13)

J. Holler, V. Tsiatsis, C. Mulligan, S. Karnouskos, S. Avesand, and D. Boyle, From Machine-to-Machine to the Internet of Things: Introduction to a New Age of Intelligence, 1st Ed., Academic Press, April 2014.
M.S. Turan, K.A. McKay, C. Calik, D. Chang, and L. Bassham, "Status report on the first round of the NIST lightweight cryptography standardization process," NISTIR 8268, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, 2019.
H. Madushan, I. Salam, and J. Alawatugoda, "A Review of the NIST Lightweight Cryptography Finalists and Their Fault Analyses,"？Electronics, vol. 11, no. 24, pp. 4199-4220, Dec. 2022.
Submission requirements and evaluation criteria for the lightweight？cryptography standardization process,？https://csrc.nist.gov/CSRC/media/Projects/Lightweight-Cryptography/documents/final-lwc-submission-requirements-august2018.pdf, 2018.
H. Wu, and T. Huang. "JAMBU？lightweight authenticated encryption？mode and AES-JAMBU," CAESAR？competition proposal, 2014.
H. Wu, and T. Huang. "TinyJAMBU:？A family of lightweight authenticated？encryption algorithms (version 2),"？Submission to the NIST Lightweight？Cryptography Standardization Process,？May 2021.
D.Y. Roh, B.W. Koo, Y.H. Jung, I.W.？Jeong, D.G. Lee, D.S. Kwon, and？W.H. Kim, "Revised version of block？cipher CHAM," International Conference on Information Security and？Cryptology, pp. 1-19, Dec. 2020.
H.D. Kwon, S.W. An, Y.B. Kim, H.J.？Kim, S.J. Choi, K.B. Jang, J.H. Park,？H.J. Kim, S.C. Seo, and H.J. Seo,？"Designing a CHAM block cipher on？low-end microcontrollers for internet？of things," Electronic, vol. 9, no. 9,？pp. 1548-1564, Sep. 2020.
H.D. Kwon, K.B. Jang, J.H. Park,？and H.J. Seo, "High-Speed Implementation to CHAM-64/128 Counter？Mode with Round Key Pre-Load？Technique," Journal of The Korea？Institute of Information Security &？Cryptology, 30(6), pp. 1217-1223, Dec.？2020.
R. Beaulieu, D. Shors, J. Smith, S. Treatman-Clark, B. Weeks, and L. Wingers, "The SIMON and SPECK families of lightweight block ciphers,"？IACR ePrint 2023-404, June 2013.
H.D. Kwon, K.B. Jang, H.J. Kim, and H.J. Seo, "The fast implementation of？block cipher SIMON using precomputation with counter mode of？operation," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, 25(4), pp.588-594, April 2021.

원문보기 상세보기
AVR Instruction Set Manual, https://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/atmel-0856-avr-instruction-setmanual.pdf, 2012.
H.J. Seo, Z. Liu, P. Longa, andZ.Hu, "SIDH on ARM: faster modular multiplications for faster post-quantum supersingular isogeny key exchange,"？IACR Transactions on Cryptographic Hardware and Embedded Systems, pp. 1-20, Aug. 2018.

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