حصول الطالبة ريم جفال من كلية الهندسة والبترول بجامعة الكويت على جائزة مشاريع طلبة الدراسات العليا لدرجة الماجستير للعام الأكاديمي 2019/2020

حصلت الطالبة ريم وجدي جفال من قسم هندسة الكمبيوتر في كلية الهندسة والبترول بجامعة الكويت على جائزة مشاريع طلبة الدراسات العليا لدرجة الماجستير للعام الأكاديمي 2019/2020 وجاء فوزها عن أطروحة مقدمة إلى كلية الدراسات العليا لاستيفاء جزء من متطلبات درجة الماجستير في هندسة الكمبيوتر بعنوان: “نمذجة وتحسين تصميم خوارزم التشفير(السيمون) باستخدام الشبكات الحقلية القابلة للبرمجة”، بإشراف كلاً من د. سائد عبد، ود. بسام جميل (المشرف المساعد).

هدفت الدراسة إلى تنفيذ وتحسين مقاييس تصميم SIMON))، وتحسين المورد الأكثر أهمية لـ (LRDs) أي الطاقة، حيث سيتم فحص التطبيقات المختلفة، ويتم تعريف مقياس التحسين الذي يجمع بين المقاييس الأخرى، وسيتم بعد ذلك تحديد التنفيذ الأمثل، وإن النظام الأساسي للأجهزة المستهدفة هو FPGA)) لأنه يوفر العديد من المزايا، مثل السرعة والتشكيل والمرونة والجهد المنخفض للتطوير.

وتوضح الدراسة أن التصميم الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة والأكثر أمثلًا هو التنفيذ (2-rounds pipelined)، والذي يستهلك طاقة بمقدار 31٪ من أفضل تنفيذ (scalar)، في حين أن أفضل تصميم من حيث المساحة هو تنفيذ (1-round scalar ).

وتلخصت الدراسة في أن أمان البيانات الحساسة المتبادلة بين الأجهزة يُعد أحد المتطلبات الأساسية، حيث يوفر المصادقة المطلوبة والسرية والخصوصية. تشكل (Ciphers)، وهي خوارزميات تشفير، الآليات الأساسية لتنفيذ الأمان.

وفي الآونة الأخيرة، أصبحت الأجهزة منخفضة الموارد (LRDs) على نحو متزايد في كل مكان، وتشمل هذه الأجهزة علامات RFID))، وعقد الاستشعار اللاسلكية، والبطاقات الذكية، إنترنت الأشياء وأجهزة الرعاية الصحية، وتم تصميم LRDs)) للبيئات المقيدة حيث تكون التكلفة والطاقة وإمدادات الطاقة والمنطقة محدودة.

ومع التوسع المستمر في أجهزة الترانزستور، أصبحت الطاقة والقوة أكثر المشكلات أهمية في تصميم (LRDs)، حيث يتطلب الاتصال بين هذه الأجهزة توفير مستوى كافٍ من الأمان دون إرهاق الموارد المسموح بها، ويتم استهداف آليات التشفير خفيفة الوزن (lightweight Ciphers) ل ((LRDs، فهي توازن بين الأمان المطلوب والحد الأدنى من الموارد.

وبشكل عام، يمكن تطبيق Ciphers في الأنظمة الأساسية للأجهزة والبرامج، ويوفر تطبيق الأجهزة سرعة أفضل وانخفاض حلول الطاقة والطاقة مقارنةً بتطبيق البرامج، وفي الآونة الأخيرة، هناك العديد من lightweight Ciphers المقترحة، المنفذة والمحسنة، سيمون SIMON)) هي واحدة من lightweight Ciphers)) التي اقترحتها وكالة الأمن القومي (NSA) بهدف ملء الطلب على ((lightweight Ciphers آمنة ومرنة ومحللة، مقارنة مع lightweight Ciphers الأخرى، سيمون يعرض نتائج جيدة على تطبيق الأجهزة.

وإن معظم الدراسات المنشورة لشفرة سيمون تركز على تحسين المساحة المستخدمة، لسوء الحظ، على الرغم من أهميتها، فقد تم إيلاء القليل من الاهتمام للطاقة والطاقة الأمثل.

FPGA Modeling and Optimization of SIMON Block Cipher Design

Submitted by:

Reem Wajdi Jaffal

A Thesis Submitted to the College of Graduate Studies in Partial Fulfillment of the Requirements for Master’s

Degree in: Computer Engineering

Supervised by:

Dr. Sa’ed Abed

Dr. Bassam Jamil Mohd (Co-Supervisor)

Abstract

Security of sensitive data exchanged between devices is an essential requirement, as it provides the needed authentication, confidentiality and privacy. Ciphers, which are encryption algorithms, form the basic mechanisms to implement security. Recently, Low-Resource Devices (LRDs) are increasingly becoming ubiquitous. These devices include RFID tags, wireless sensor nodes, smart cards, Internet of Things (IoTs) and health-care devices. LRDs are designed for constrained environments where cost, power, energy supply and area are limited. With continued scaling of transistor devices, energy and power are becoming the most critical design issues for LRDs. Communication between these devices requires providing adequate level of security without straining the limited resources. Lightweight block ciphers are targeted for LRDs. They balance the required security and minimal resource overhead. Lately, there are several lightweight block ciphers proposed, implemented and optimized in hardware and software platforms. SIMON is one of the lightweight block ciphers that was proposed by National Security Agency (NSA) for the aim of fulfilling the demand for secure, flexible, and analyzable lightweight block ciphers. Compared with other lightweight ciphers, SIMON exhibits good hardware performance metrics. Most of published studies for SIMON cipher addressed area optimization. Unfortunately, despite their importance, little attention was given to energy and power optimization. The objective of this study is to implement, optimize and model SIMON design metrics. Our emphasis is to optimize the most critical resources for LRDs, namely energy and power. Various implementations are examined. An optimization metric combining several metrics is defined. The optimum implementation is  then determined. The targeted hardware platform is FPGA as it provides many advantages, such as speed, configurability, flexibility and low cost development effort. Our study shows that scalar implementations require 39% less resources and 45% less power consumption compared with pipelined implementations. On the other hand, pipelined implementations demonstrate 12 times higher throughput and consume 31% less energy compared with scalar ones. Moreover, the most energy-efficient design and the optimum one is 2-rounds pipelined implementation, which consumes 31% of the best scalar implementation energy. While the best design in terms of area is 1-round scalar implementation.