Reconfigured CoARX architecture for implementing ARX hashing in microcontrollers of IoT systems with limited resources

W artykule przedstawiono architekturę CoARX – rekonfigurowalną platformę o strukturze gruboziarnistej, zaprojektowaną do efektywnej realizacji funkcji haszujących opartych na prymitywach ARX w mikrokontrolerach systemów IoT o ograniczonych zasobach. Architektura obsługuje algorytmy kryptograficzne oparte na operacjach dodawania, rotacji i XOR, zapewniając równowagę między wydajnością, efektywnością energetyczną a złożonością sprzętową. CoARX wykorzystuje konfigurowalne elementy obliczeniowe z lokalną pamięcią, adaptacyjną trasę danych oraz wsparcie dla operacji 32- i 64-bitowych, co umożliwia implementację lekkich funkcji haszujących, takich jak Skein-512, BLAKE-256 i ChaCha20. W badaniach zaproponowano zestaw szablonów konfiguracyjnych, umożliwiających dynamiczne przełączanie między trybami kryptograficznymi bez zmiany struktury sprzętowej. Dla każdego algorytmu opracowano oddzielne strategie optymalizacji: schodkowe planowanie rund dla Skein, wektorowe maski oparte na SIMD dla BLAKE oraz przełączanie tras bez użycia pamięci buforowej dla ChaCha20. Przepływy danych między klastrami zoptymalizowano za pomocą dekompozycji grafu i nakładania obliczeń, co pozwoliło zminimalizować opóźnienia trasowania. Wyniki eksperymentów pokazują, że architektura CoARX osiąga do 35% wyższą wydajność w porównaniu z rozwiązaniami FPGA oraz ponad dwukrotnie przewyższa wydajność realizacji na mikrokontrolerach STM32. Zużycie energii zmniejsza się do trzech razy, a zapotrzebowanie na pamięć – nawet o 30–60% w zależności od algorytmu. Przedstawiona architektura stanowi obiecujące rozwiązanie dla bezpiecznego przetwarzania danych w osadzonych systemach IoT czasu rzeczywistego, działających w warunkach ograniczonego zasilania i pamięci.

Słowa kluczowe:

funkcje haszujące ARX, rekonfigurowalna architektura, lekka kryptografia, bezpieczeństwo IoT

Bibliografia

[1] Abed S. E. et al.: An analysis and evaluation of lightweight hash functions for blockchain-based IoT devices. Cluster computing 24, 2021, 3065–3084 [https://doi.org/10.1007/s10586-021-03324-1].

[2] Braeken A. et al.: Trusted computing architectures for IoT devices. International Symposium on Applied Reconfigurable Computing (ARC 2024), Aveiro 2024. Lecture Notes in Computer Science, 14553, 241–254, Springer, Cham [https://doi.org/10.1007/978-3-031-55673-9_17].

[3] Chataut R., Phoummalayvane A., Akl R.: Unleashing the power of IoT: A comprehensive review of IoT applications and future prospects in healthcare, agriculture, smart homes, smart cities, and industry 4.0. Sensors 23(16), 2023, 7194 [https://doi.org/10.3390/s23167194].

[4] El-Hadedy M. et al.: Edge crypt-pi: Securing internet of things with light and fast crypto-processor. Future Technologies Conference (FTC), San Francisco 2020, 3, 2020, 749–761 [https://doi.org/10.1007/978-3-030-63092-8_50].

[5] Faure E. et al.: Protection of IoT networks: cryptographic solutions for cybersecurity management. Third International Conference on Cyber Hygiene & Conflict Management in Global Information Networks (CH&CMiGIN 2024), Kyiv 2024, 24–34.

[6] Flores-Martin D. et al.: Towards dynamic and heterogeneous social IoT environments. Computing 105(6), 2023, 1141–1164 [https://doi.org/10.1007/s00607-022-01113-1].

[7] Iavich M. et al.: Post-quantum digital signature scheme for personal data security in communication network systems. Advances in Artificial Systems for Medicine and Education IV, vol. 4. Springer International Publishing 2021, 303–314 [https://doi.org/10.1007/978-3-030-67133-4_28].

[8] Kim T. H.: A Study on Impact of Lightweight Cryptographic Systems on Internet of Things-Based Applications. Asia-pacific Journal of Convergent Research Interchange (APJCRI) 10(1), 2024, 49–59 [http://dx.doi.org/10.47116/apjcri.2024.01.05].

[9] Lefevre C., Mennink B.: Permutation-Based Hash Chains with Application to Password Hashing. IACR Transactions on Symmetric Cryptology 4, 2024, 249–286 [https://doi.org/10.46586/tosc.v2024.i4.249-286].

[10] Li Z. et al.: Enhancing CGRA Efficiency Through Aligned Compute and Communication Provisioning. 30th ACM International Conference on Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems (ASPLOS’25), Rotterdam 1, 2025, 410–425 [https://doi.org/10.1145/3669940.3707230].

[11] Ma K. M. et al.: Design of an soc based on 32-bit risc-v processor with low-latency lightweight cryptographic cores in FPGA. Future Internet 15(5), 2023, 186 [https://doi.org/10.3390/fi15050186].

[12] Niu Z. et al.: Rotational differential-linear distinguishers of ARX ciphers with arbitrary output linear masks. Annual International Cryptology Conference (CRYPTO 2022), Santa Barbara, CA 2022. Lecture Notes in Computer Science 13507. Springer Nature Switzerland, Cham, 2022, 3–32 [https://doi.org/10.1007/978-3-030-77870-5_26].

[13] Pham H. L. et al.: Compact message permutation for a fully pipelined BLAKE-256/512 accelerator. IEEE Access 10, 2022, 68740–68754 [https://doi.org/10.1587/transfun.2023CIP0013].

[14] Radovici A., Culic I.: Embedded systems and architectures. Getting Started with Secure Embedded Systems: Developing IoT Systems for Micro: Bit and Raspberry Pi Pico Using Rust and Tock. Apress Berkeley, 2022 [https://doi.org/10.1007/978-1-4842-7789-8].

[15] Rozlomii I. et al.: Resource-Saving Cryptography for Microcontrollers in Biomedical Devices. IEEE 5th KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek), Kharkiv 2024, 1–5.

[16] Wali H. G., Iyer N. C., Hiremath S. B.: Hardware Implementation of SPONGENT Lightweight Hash Algorithm. 12th International Conference on Communication and Network Security (ICCNS), Beijing 2022, 105–109 [https://doi.org/10.1145/3586102.3586118].

[17] Windarta S. et al.: Lightweight cryptographic hash functions: Design trends, comparative study, and future directions. IEEE Access 10, 2022, 82272–82294 [https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3195572].

Rekonfigurowana architektura CoARX do implementacji funkcji haszującej ARX w mikrokontrolerach systemów IoT o ograniczonych zasobach. (2025). Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska, 15(4), 164-169. https://doi.org/10.35784/iapgos.7782

##plugins.themes.bootstrap3.article.sidebar##

Numer Tom 15 Nr 4 (2025)

Archiwum

##plugins.themes.bootstrap3.article.main##

Authors

Abstrakt

Słowa kluczowe:

Bibliografia

##plugins.themes.bootstrap3.article.details##

Licencja