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

فناوری های نوین مهندسی برق در سیستم انرژی سبز

دوره 1، شماره 3، آذر 1401، صفحه 27-39   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30486/teeges.2022.1960348.1019

نویسندگان

محسن دادخواه¹؛ عاطفه سلیمی^{* 1}؛ نادیا حاجی خیادانی²

¹دانشکده مهندسی برق، واحد اصفهان (خوراسگان)، دانشگاه آزاد اسلامی، خوراسگان، اصفهان، ایران

²دانشکده مهندسی برق، دانشگاه صنعتی اراک، اراک، ایران

چکیده

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.

کلیدواژه‌ها

زنجیره بلوکی؛ عصاره پیام؛ رمزنگاری؛ الگوریتم BLAKE2b؛ سیستم بر تراشه

مراجع

 

[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.