Structural Optimization of Cryptographic Algorithms Based on Embedded Processor Characteristics

Abstract

This dissertation investigates and presents the results of an optimized implementation technique achieved through modifications to the internal structure of cryptographic algorithms. Among the various aspects of optimal implementation, speed optimization is crucial in improving inefficient computational performance by accelerating the algorithm's processing speed. Parallel implementation is commonly employed for optimization; however, inherent limitations exist when relying solely on parallelizing internal operations. A method for enhancing the performance of cryptographic algorithms is proposed through modifications to their internal structure. These structural modifications may involve precomputing specific values, utilizing precomputation tables for large-scale calculations, or leveraging processor features to reverse original operations. The cryptographic algorithms targeted for implementation in this research include the domestic lightweight block cipher CHAM, the lightweight block cipher candidate TinyJAMBU, and the post-quantum cryptography candidate Rainbow. The implementation platforms selected for this study are the 8-bit AVR processor, commonly used in low-end Internet of Things (IoT) environments, and the 64-bit ARM processor, which, though relatively high-end compared to AVR, has recently expanded its application from smartphones to laptops. The proposed technique involves redesigning the internal structure of each algorithm, considering the unique characteristics of the algorithms and the processor environments, to enhance overall algorithm performance.| 본 논문에서는 암호 알고리즘의 내부 구조 변경을 통한 최적 구현 기법에 대해 연구 및 그 결과를 제시한다. 암호 알고리즘의 최적 구현 관점 중에서 속도 최적화는 알고리즘의 연산 속도를 빠르게 하여 비효율적인 연산 성능을 개선하는 것이다. 최적 구현에서는 주로 병렬 구현이 많이 사용되는데, 알고리즘 내부 연산을 병렬 구현하는 것으로는 최적 구현의 한계점이 존재한다. 제안하는 기법은 알고리즘의 내부 구조를 변경하는 것으로 암호 알고리즘의 성능을 향상시키는 방법에 대해서 제안한다. 구조 변경은 특정 값을 사전 연산하거나 또는 대규모로 연산할 때는 사전 연산 테이블을 활용하는 방법, 프로세서의 특성을 활용하여 원래 연산의 반대로 연산하는 방법 등이 있다. 구현 대상 알고리즘은 국산 경량 블록암호 CHAM, 경량 블록암호 후보 TinyJAMBU, 양자내성암호 후보 Rainbow를 대상으로 한다. 구현 대상 프로세서는 저사양 사물 인터넷 환경에서 주로 활용되는 8-bit AVR 프로세서와 AVR에 비해서는 상대적으로 고사양이며 주로 스마트폰과 최근에는 노트북까지 사용처가 넓어진 64-bit ARM 프로세서이다. 제안하는 기법은 각 알고리즘의 특성과 프로세서의 환경을 고려하여 알고리즘의 성능을 향상시킬 수 있는 내부 구조 재설계를 진행한다.