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An Energy-Efficient Double Ratchet Cryptographic Processor With Backward Secrecy for IoT Devices

计算机科学 密码学 加密 散列函数 能源消耗 密码协议 嵌入式系统 计算机硬件 算法 操作系统 程序设计语言 电气工程 工程类
作者
Sheng-Jung Yu,Yu-Chi Lee,Liang-Hsin Lin,Chia‐Hsiang Yang
出处
期刊:IEEE Journal of Solid-state Circuits [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:58 (6): 1810-1819 被引量:9
标识
DOI:10.1109/jssc.2022.3220838
摘要

This work presents the first cryptographic processor that supports the double ratchet protocol with backward secrecy for the Internet-of-Things (IoT) devices. A precomputation-based constant modular divider is used to reduce the area by 39.5% and energy consumption by 18.8%. A hash-based key derivative function (HKDF) module is proposed to reduce the energy consumption of the length selector by 89.8% and the energy consumption of the module by 35% by leveraging the characteristic of the input. A ${\mathrm{ GF}}(2^{4})^{2}$ -based S-box is used to reduce the area of S-box by 21.2%. A 1-byte S-box is shared for key generation and text encryption/decryption to reduce the area by 46.8%. Fabricated in a 40-nm CMOS technology, the chip integrates 227k gates in 1.03 mm 2 and dissipates 1.18 mW at 16 MHz from a 0.56-V supply. The chip achieves a 211 $734\times $ lower energy consumption than the CPU solution. Compared with the state-of-the-art end-to-end protocol cryptographic processor, this work achieves an $18.5\times $ higher energy efficiency for secure hash algorithm (SHA), $3\times $ higher energy efficiency for advanced encryption standard (AES), and a 41% less energy for protocol establishment, with 10% smaller area.

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