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FPGA Based Implementation of AES Encryption and Decryption with Verilog HDL

TL;DR: A unique feature of the proposed pipelined design is that the round keys, which are consumed during different iterations of encryption, are generated in parallel with the encryption process, which lowers the delay associated with each round of encryption and reduces the overall encryption delay of a plaintext block.
Abstract: Security is the most important part in data communication system, where more randomization in secret keys increases the security as well as complexity of the cryptography algorithms. As a result in recent dates these algorithms are compensating with enormous memory spaces and large execution time on hardware platform. Field programmable gate arrays (FPGAs), provide one of the major alternative in hardware platform scenario due to its reconfiguration nature, low price and marketing speed.In this a hardware implementation of the AES128 encryption and decryption algorithm is proposed.The AES cryptography algorithm can be used to encrypt/decrypt blocks of 128 bits and is capable of using cipher keys of 128 bits wide (AES128). A unique feature of the proposed pipelined design is that the round keys, which are consumed during different iterations of encryption, are generated in parallel with the encryption process.This lowers the delay associated with each round of encryption and reduces the overall encryption delay of a plaintext block. This will leads to an increase in the message encryption throughput. This method will experimentally simulate using Xilinx software with Verilog Hardware Description Language and hardware implementation on FPGA.
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TL;DR: Der DES basiert auf einer von Horst Feistel bei IBM entwickelten Blockchiffre („Lucipher“) with einer Schlüssellänge von 128 bit zum Sicherheitsrisiko, und zuletzt konnte 1998 mit einem von der „Electronic Frontier Foundation“ (EFF) entwickkelten Spezialmaschine mit 1.800 parallel arbeit
Abstract: Im Jahre 1977 wurde der „Data Encryption Algorithm“ (DEA) vom „National Bureau of Standards“ (NBS, später „National Institute of Standards and Technology“ – NIST) zum amerikanischen Verschlüsselungsstandard für Bundesbehörden erklärt [NBS_77]. 1981 folgte die Verabschiedung der DEA-Spezifikation als ANSI-Standard „DES“ [ANSI_81]. Die Empfehlung des DES als StandardVerschlüsselungsverfahren wurde auf fünf Jahre befristet und 1983, 1988 und 1993 um jeweils weitere fünf Jahre verlängert. Derzeit liegt eine Neufassung des NISTStandards vor [NIST_99], in dem der DES für weitere fünf Jahre übergangsweise zugelassen sein soll, aber die Verwendung von Triple-DES empfohlen wird: eine dreifache Anwendung des DES mit drei verschiedenen Schlüsseln (effektive Schlüssellänge: 168 bit) [NIST_99]. Der DES basiert auf einer von Horst Feistel bei IBM entwickelten Blockchiffre („Lucipher“) mit einer Schlüssellänge von 128 bit. Da die amerikanische „National Security Agency“ (NSA) dafür gesorgt hatte, daß der DES eine Schlüssellänge von lediglich 64 bit besitzt, von denen nur 56 bit relevant sind, und spezielle Substitutionsboxen (den „kryptographischen Kern“ des Verfahrens) erhielt, deren Konstruktionskriterien von der NSA nicht veröffentlicht wurden, war das Verfahren von Beginn an umstritten. Kritiker nahmen an, daß es eine geheime „Trapdoor“ in dem Verfahren gäbe, die der NSA eine OnlineEntschlüsselung auch ohne Kenntnis des Schlüssels erlauben würde. Zwar ließ sich dieser Verdacht nicht erhärten, aber sowohl die Zunahme von Rechenleistung als auch die Parallelisierung von Suchalgorithmen machen heute eine Schlüssellänge von 56 bit zum Sicherheitsrisiko. Zuletzt konnte 1998 mit einer von der „Electronic Frontier Foundation“ (EFF) entwickelten Spezialmaschine mit 1.800 parallel arbeitenden, eigens entwickelten Krypto-Prozessoren ein DES-Schlüssel in einer Rekordzeit von 2,5 Tagen gefunden werden. Um einen Nachfolger für den DES zu finden, kündigte das NIST am 2. Januar 1997 die Suche nach einem „Advanced Encryption Standard“ (AES) an. Ziel dieser Initiative ist, in enger Kooperation mit Forschung und Industrie ein symmetrisches Verschlüsselungsverfahren zu finden, das geeignet ist, bis weit ins 21. Jahrhundert hinein amerikanische Behördendaten wirkungsvoll zu verschlüsseln. Dazu wurde am 12. September 1997 ein offizieller „Call for Algorithm“ ausgeschrieben. An die vorzuschlagenden symmetrischen Verschlüsselungsalgorithmen wurden die folgenden Anforderungen gestellt: nicht-klassifiziert und veröffentlicht, weltweit lizenzfrei verfügbar, effizient implementierbar in Hardund Software, Blockchiffren mit einer Blocklänge von 128 bit sowie Schlüssellängen von 128, 192 und 256 bit unterstützt. Auf der ersten „AES Candidate Conference“ (AES1) veröffentlichte das NIST am 20. August 1998 eine Liste von 15 vorgeschlagenen Algorithmen und forderte die Fachöffentlichkeit zu deren Analyse auf. Die Ergebnisse wurden auf der zweiten „AES Candidate Conference“ (22.-23. März 1999 in Rom, AES2) vorgestellt und unter internationalen Kryptologen diskutiert. Die Kommentierungsphase endete am 15. April 1999. Auf der Basis der eingegangenen Kommentare und Analysen wählte das NIST fünf Kandidaten aus, die es am 9. August 1999 öffentlich bekanntmachte: MARS (IBM) RC6 (RSA Lab.) Rijndael (Daemen, Rijmen) Serpent (Anderson, Biham, Knudsen) Twofish (Schneier, Kelsey, Whiting, Wagner, Hall, Ferguson).

624 citations

Journal ArticleDOI
TL;DR: A FPGA-based security module is developed to mitigate information-gathering attacks, which can be made by gaining physical access to the network, e.g., a man-in-the-middle attack.

10 citations

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Journal ArticleDOI
TL;DR: The 'Caesar' Cypher shows how old encryption is and how simple old ciphers now are for us to break.
Abstract: Ever since humans started talking, we have been trying to work out a way of communicating information to one person, while keeping it secret from everyone else. Certainly, when you start to look at encryption methods, you are introduced to the 'Caesar' Cypher. which shows how old encryption is and how simple old ciphers now are for us to break.

1,183 citations

Book ChapterDOI
09 Dec 2001
TL;DR: Compact and high-speed hardware architectures and logic optimization methods for the AES algorithm Rijndael are described, including a new composite field and the S-Box structure is also optimized.
Abstract: Compact and high-speed hardware architectures and logic optimization methods for the AES algorithm Rijndael are described. Encryption and decryption data paths are combined and all arithmetic components are reused. By introducing a new composite field, the S-Box structure is also optimized. An extremely small size of 5.4 Kgates is obtained for a 128-bit key Rijndael circuit using a 0.11-µm CMOS standard cell library. It requires only 0.052 mm2 of area to support both encryption and decryption with 311 Mbps throughput. By making effective use of the SPN parallel feature, the throughput can be boosted up to 2.6 Gbps for a high-speed implementation whose size is 21.3 Kgates.

722 citations

Journal Article
TL;DR: Der DES basiert auf einer von Horst Feistel bei IBM entwickelten Blockchiffre („Lucipher“) with einer Schlüssellänge von 128 bit zum Sicherheitsrisiko, und zuletzt konnte 1998 mit einem von der „Electronic Frontier Foundation“ (EFF) entwickkelten Spezialmaschine mit 1.800 parallel arbeit
Abstract: Im Jahre 1977 wurde der „Data Encryption Algorithm“ (DEA) vom „National Bureau of Standards“ (NBS, später „National Institute of Standards and Technology“ – NIST) zum amerikanischen Verschlüsselungsstandard für Bundesbehörden erklärt [NBS_77]. 1981 folgte die Verabschiedung der DEA-Spezifikation als ANSI-Standard „DES“ [ANSI_81]. Die Empfehlung des DES als StandardVerschlüsselungsverfahren wurde auf fünf Jahre befristet und 1983, 1988 und 1993 um jeweils weitere fünf Jahre verlängert. Derzeit liegt eine Neufassung des NISTStandards vor [NIST_99], in dem der DES für weitere fünf Jahre übergangsweise zugelassen sein soll, aber die Verwendung von Triple-DES empfohlen wird: eine dreifache Anwendung des DES mit drei verschiedenen Schlüsseln (effektive Schlüssellänge: 168 bit) [NIST_99]. Der DES basiert auf einer von Horst Feistel bei IBM entwickelten Blockchiffre („Lucipher“) mit einer Schlüssellänge von 128 bit. Da die amerikanische „National Security Agency“ (NSA) dafür gesorgt hatte, daß der DES eine Schlüssellänge von lediglich 64 bit besitzt, von denen nur 56 bit relevant sind, und spezielle Substitutionsboxen (den „kryptographischen Kern“ des Verfahrens) erhielt, deren Konstruktionskriterien von der NSA nicht veröffentlicht wurden, war das Verfahren von Beginn an umstritten. Kritiker nahmen an, daß es eine geheime „Trapdoor“ in dem Verfahren gäbe, die der NSA eine OnlineEntschlüsselung auch ohne Kenntnis des Schlüssels erlauben würde. Zwar ließ sich dieser Verdacht nicht erhärten, aber sowohl die Zunahme von Rechenleistung als auch die Parallelisierung von Suchalgorithmen machen heute eine Schlüssellänge von 56 bit zum Sicherheitsrisiko. Zuletzt konnte 1998 mit einer von der „Electronic Frontier Foundation“ (EFF) entwickelten Spezialmaschine mit 1.800 parallel arbeitenden, eigens entwickelten Krypto-Prozessoren ein DES-Schlüssel in einer Rekordzeit von 2,5 Tagen gefunden werden. Um einen Nachfolger für den DES zu finden, kündigte das NIST am 2. Januar 1997 die Suche nach einem „Advanced Encryption Standard“ (AES) an. Ziel dieser Initiative ist, in enger Kooperation mit Forschung und Industrie ein symmetrisches Verschlüsselungsverfahren zu finden, das geeignet ist, bis weit ins 21. Jahrhundert hinein amerikanische Behördendaten wirkungsvoll zu verschlüsseln. Dazu wurde am 12. September 1997 ein offizieller „Call for Algorithm“ ausgeschrieben. An die vorzuschlagenden symmetrischen Verschlüsselungsalgorithmen wurden die folgenden Anforderungen gestellt: nicht-klassifiziert und veröffentlicht, weltweit lizenzfrei verfügbar, effizient implementierbar in Hardund Software, Blockchiffren mit einer Blocklänge von 128 bit sowie Schlüssellängen von 128, 192 und 256 bit unterstützt. Auf der ersten „AES Candidate Conference“ (AES1) veröffentlichte das NIST am 20. August 1998 eine Liste von 15 vorgeschlagenen Algorithmen und forderte die Fachöffentlichkeit zu deren Analyse auf. Die Ergebnisse wurden auf der zweiten „AES Candidate Conference“ (22.-23. März 1999 in Rom, AES2) vorgestellt und unter internationalen Kryptologen diskutiert. Die Kommentierungsphase endete am 15. April 1999. Auf der Basis der eingegangenen Kommentare und Analysen wählte das NIST fünf Kandidaten aus, die es am 9. August 1999 öffentlich bekanntmachte: MARS (IBM) RC6 (RSA Lab.) Rijndael (Daemen, Rijmen) Serpent (Anderson, Biham, Knudsen) Twofish (Schneier, Kelsey, Whiting, Wagner, Hall, Ferguson).

624 citations

Book
24 Dec 2009
TL;DR: The Advanced Encryption Standard (AES) is an encryption standard adopted by the U.S. government as mentioned in this paper, which has a 128-bit block size with key sizes of 128, 192 and 256 bits.
Abstract: In cryptography, the Advanced Encryption Standard (AES) is an encryption standard adopted by the U.S. government. The standard comprises three block ciphers, AES-128, AES-192 and AES-256, adopted from a larger collection originally published as Rijndael. Each AES cipher has a 128-bit block size, with key sizes of 128, 192 and 256 bits, respectively. The AES ciphers have been analyzed extensively and are now used worldwide, as was the case with its predecessor, the Data Encryption Standard (DES). AES was announced by National Institute of Standards and Technology (NIST) as U.S. FIPS PUB 197 (FIPS 197) on November 26, 2001 after a 5-year standardization process in which fifteen competing designs were presented and evaluated before Rijndael was selected as the most suitable . It became effective as a Federal government standard on May 26, 2002 after approval by the Secretary of Commerce. It is available in many different encryption packages. AES is the first publicly accessible and open cipher approved by the NSA for top secret information.

593 citations

Book ChapterDOI
01 Jan 2003
TL;DR: The Advanced Encryption Standard (AES) is an encryption standard adopted by the U.S. government and is the first publicly accessible and open cipher approved by the NSA for top secret information.
Abstract: Aufgrund der kurzen Schlussellange des DES und den immer leistungsfahigeren Computern wurden 1997 erstmals ernsthafte Aktivitaten unternommen, den DES als Verschlusselungsstandard durch ein neues Verfahren abzulosen. Dieses neue Verfahren sollte den Namen AES (Advanced Encryption Standard) bekommen. Eine Ausschreibung und das entsprechende Auswahlverfahren wurde — ebenso wie beim DES — von der US-Standardisierungsbehorde NIST durchgefuhrt. Ein kurzer Einblick in die Geschichte des AES und eine ausfuhrliche Darstellung des neuen Verschlusselungsalgorithmus sind Gegenstand dieses Kapitels.

509 citations