طراحی شتاب دهنده ی سخت افزاری بهینه برای پیاده سازی الگوریتم تابع درهم ساز BLAKE2b

محورهای موضوعی : مهندسی برق الکترونیک

محسن دادخواه ¹ , عاطفه سلیمی ² , نادیا حاجی خیادانی ³

1 - دانشکده مهندسی برق، واحد اصفهان (خوراسگان)، دانشگاه آزاد اسلامی، خوراسگان، اصفهان، ایران
2 - دانشکده مهندسی برق، واحد اصفهان (خوراسگان)، دانشگاه آزاد اسلامی، خوراسگان، اصفهان، ایران
3 - دانشکده مهندسی برق، دانشگاه صنعتی اراک، اراک، ایران

تاریخ دریافت : 1400/12/15 تاریخ پذیرش : 1401/05/04 تاریخ انتشار : 1401/09/01

کلید واژه: رمزنگاری, الگوریتم BLAKE2b, عصاره پیام, سیستم بر تراشه, زنجیره بلوکی,

چکیده مقاله :

در سال های اخیر رمز ارزها به عنوان ارزهای دیجیتال که از مکانیسم اجماع غیرمتمرکز برای تراکنش ها استفاده می کنند، بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. بهینه سازی پیاده سازی الگوریتم های در هم ساز مورد استفاده در کاربردهای بلاکچین به منظور بهبود سرعت و توان مصرفی بسیار حائز اهمیت است. در این مقاله الگوریتم در هم ساز BLAKE2b از بین الگوریتم های موجود انتخاب و بهینه سازی سخت افزاری آن مورد بررسی قرار گرفت. بهینه سازی تابع فشرده- ساز(F) این الگوریتم به عنوان اصلی ترین و چالش برانگیزترین بلوک الگوریتم در این مقاله انجام شده است. علاوه بر این با تقسیم هوشمندانه الگوریتم بین نرم افزار/سخت افزار تلاش برای افزایش سرعت و نیز کاهش تعداد منابع مصرفی شده است. برای مقایسه، پیاده سازی با روش های طراحی سطح بالا و همینطور روش ساختار موازی نیز انجام شد. هر سه روش طراحی شده با استفاده از نرم افزار Vivado با برد توسعه ZC706 پیاده سازی شدند. نتایج نشان می دهد که تعداد منابع مصرفی (FF/LUT) و توان مصرفی روش پیشنهاد شده به ترتیب برابر )6575/4726( و(W) 316/0 است که کاهش قابل توجهی در مقایسه با سایر روش ها ایجاد کرده است. همینطور سرعت انجام در هم سازی و انرژی بر واحد تعداد در هم سازی انجام شده برای ساختار پیشنهادی به ترتیب برابر MHash/s 50 و 3/6 است.

چکیده انگلیسی:

Recently, there has been a surge in the popularity of cryptocurrencies, which are digital currencies that enabletransactions through a decentralized consensus mechanism. In this paper, one of the most effective Equihashalgorithms subcategories, known as BLAKE2, is presented, and then effort has been made to optimize thecompression function as one of the main and most challenging blocks of the BLAKE2 algorithm. In addition,by cognitive partitioning the algorithm between the software/hardware parts of the device, efforts have beenmade to improve the speed and the number of resource usage. For comparison, implementation was carriedout with high-level vs HDL design methods for full and semi-parallel structures. All three methods wereimplemented using Vivado tools exploiting ZC706 evaluation board. The implementation results indicatedthat the number of resource usage (LUT/FF) and power consumption of the proposed structure is equal to(6575/4726) and 0.316(W) respectively Which has created a significant reduction compared to other methods.Moreover, the hash rate and the energy efficiency of the proposed structure are equal to 50 MHash/s and 6.3(𝑛𝐽/𝐻𝑎𝑠ℎ) respectively

منابع و مأخذ:

 

[1]        A. Kuznetsov, K. Shekhanin, A. Kolhatin, D. Kovalchuk, V. Babenko, and I. Perevozova, "Performance of hash algorithms on GPUs for use in blockchain," in 2019 IEEE International Conference on Advanced Trends in Information Theory (ATIT), 2019, pp. 166-170: IEEE. doi: 10.1109/ATIT49449.2019.9030442 .

[2]        S. Shioiri, K. Yamamoto, H. Oshida, K. Matsubara, and H. Yaguchi, "Measuring attention using flash-lag effect," J Vis, vol. 10, no. 10, p. 10, Aug 13 2010. doi: 10.1167/10.10.10.

[3]        J.-F. Têtu, L.-C. Trudeau, M. Van Beirendonck, A. Balatsoukas-Stimming, and P. Giard, "A standalone FPGA-Based miner for Lyra2REv2 cryptocurrencies," IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 67, no. 4, pp. 1194-1206, 2020. doi: 10.1109/TCSI.2020.2970923.

[4]        D. Rachmawati, J. Tarigan, and A. Ginting, "A comparative study of Message Digest 5 (MD5) and SHA256 algorithm," in Journal of Physics: Conference Series, 2018, vol. 978, no. 1, p. 012116: IOP Publishing. doi: 10.1088/1742-6596/978/1/012116.

[5]        S. Zhu, C. Zhu, and W. Wang, "A New Image Encryption Algorithm Based on Chaos and Secure Hash SHA-256," Entropy (Basel), vol. 20, no. 9, p. 716, Sep 19 2018. doi: 10.3390/e20090716.

[6]        S. Gupta, N. Goyal, and K. Aggarwal, "A review of comparative study of md5 and ssh security algorithm," International Journal of Computer Applications, vol. 104, no. 14, 2014. doi: 10.5120/18267-9305.

[7]        G. Bertoni, J. Daemen, M. Peeters, G. V. Assche, R. V. Keer, and B. Viguier, "K angarooT welve: Fast Hashing Based on $${textsc {Keccak}text {-} p}{} $$," in International Conference on Applied Cryptography and Network Security, 2018, pp. 400-418: Springer. doi: 10.1007/978-3-319-93387-0_21.

[8]        F. Kahri, H. Mestiri, B. Bouallegue, and M. Machhout, "High speed FPGA implementation of cryptographic KECCAK hash function crypto-processor," Journal of Circuits, Systems and Computers, vol. 25, no. 04, p. 1650026, 2016. doi: 10.1142/S0218126616500262.

[9]        J.-P. Aumasson, S. Neves, Z. Wilcox-O’Hearn, and C. Winnerlein, "BLAKE2: simpler, smaller, fast as MD5," in International Conference on Applied Cryptography and Network Security, 2013, pp. 119-135: Springer. doi: 10.1007/978-3-642-38980-1_8.

[10]      J.-P. Aumasson, S. Neves, Z. Wilcox-O’Hearn, and C. Winnerlein, "BLAKE2 fast secure hashing," ed: Web Blog, Source: https://BLAKE2. net, 2021.

[11]      V. Rao and K. Prema, "Light-weight hashing method for user authentication in Internet-of-Things," Ad Hoc Networks, vol. 89, pp. 97-106, 2019. doi: 10.1016/j.adhoc.2019.03.003.

[12]      C. Zet and G.-C. Dumitriu, "Using blockchain technology for ensuring students results traceability for instrumentation classes," Measurement: Sensors, vol. 18, p. 100315, 2021. doi: 10.1016/j.measen.2021.100315.

[13]      H. Cho, "ASIC-resistance of multi-hash proof-of-work mechanisms for blockchain consensus protocols," IEEE Access, vol. 6, pp. 66210-66222, 2018. doi: 10.1109/ACCESS.2018.2878895.

[14]      Q. Aini, N. Lutfiani, N. P. L. Santoso, S. Sulistiawati, and E. Astriyani, "Blockchain for education purpose: essential topology," Aptisi Transactions on Management (ATM), vol. 5, no. 2, pp. 112-120, 2021. doi: 10.33050/atm.v5i2.1506.

[15]      J.-F. Têtu, L.-C. Trudeau, M. Van Beirendonck, A. Balatsoukas-Stimming, and P. Giard, "FPGA-based Mining of Lyra2REv2 Cryptocurrencies," CoRR, 2019. doi: 10.1109/TCSI.2020.2970923.

[16]      R. J. Meijer, "MattockFS; Page-cache and access-control concerns in asynchronous message-based forensic frameworks on the Linux platform," arXiv preprint arXiv:1703.00369, 2017. doi: 10.13140/RG.2.2.35426.53440.

[17]      M. Al-Zubaidie, Z. Zhang, and J. Zhang, "REISCH: incorporating lightweight and reliable algorithms into healthcare applications of WSNs," Applied Sciences, vol. 10, no. 6, p. 2007, 2020. doi: 10.3390/app10062007.

[18]      J.-P. Aumasson, W. Meier, and R. C.-W. Phan, "The hash function family LAKE," in International Workshop on Fast Software Encryption, 2008, pp. 36-53: Springer. doi: 10.1007/978-3-540-71039-4_3.

[19]      M. S. Mahdi, N. F. Hassan, and G. H. Abdul-Majeed, "An improved chacha algorithm for securing data on IoT devices," SN Applied Sciences, vol. 3, no. 4, pp. 1-9, 2021. doi: 10.1007/s42452-021-04425-7.

[20]      A. Biryukov and D. Wagner, "Advanced slide attacks," in International conference on the theory and applications of cryptographic techniques, 2000, pp. 589-606: Springer. doi: 10.1007/3-540-45539-6_41.

[21]      T. Peyrin, "Security analysis of extended sponge functions," in Talk at the workshop Hash functions in cryptology: theory and practice, 2008.

[22]      J.-P. Aumasson, L. Henzen, W. Meier, and R. C.-W. Phan, "Sha-3 proposal BLAKE," Submission to NIST, vol. 92, 2008.

[23]      S. Gueron, S. Johnson, and J. Walker, "SHA-512/256," in 2011 Eighth International Conference on Information Technology: New Generations, 2011, pp. 354-358: IEEE. doi: 10.1109/ITNG.2011.69

[24]      Xilinx, "ZC706 Evaluation Board for the Zynq-7000 XC7Z045 SoC (UG954), v1. 7," ed: Xilinx San José, CA, USA, 2018.