Diseño en VHDL del cifrador lightweight TinyJAMBU

Abstract

Debido al auge de la tecnología, así como de las comunicaciones digitales, también ha sido necesario el aumento de la seguridad de dichas comunicaciones. Es ahí donde surge la necesidad de la criptografía, que garantice, además de la confidencialidad, la autenticidad de los mensajes. La criptografía está cada vez más presente en diferentes ámbitos, teniendo una evolución que parece no parar. Debido a la incorporación de dispositivos IoT, está tomando mucho auge un tipo de criptografía denominada criptografía lightweight. Esta es un tipo de criptografía enfocada a dispositivos con recursos limitados y donde las restricciones de procesado y de potencia son muy elevadas. El objetivo principal de este trabajo, es mostrar información acerca de este tipo de criptografía, y diseñar un cifrador basado en uno de los algoritmos ligtweight y que incluya autenticación, llamado TinyJAMBU. Este es uno de los diez finalistas del proyecto del National Institute of Standards and Technology (NIST) que tiene como objetivo establecer nuevos estándares de criptografía lightweight, y complementar los que ya existen en la criptografía convencional. El diseño del algoritmo ha sido realizado en lenguaje VHDL, y utilizando la aplicación de Xilinx de ISE Design. Además del propio código, se han llevado a cabo verificaciones, en las que se comprueba el correcto funcionamiento del código mediante simulaciones. Además, se han llevado a cabo dos diseños más, sirviendo como ejemplos del correcto funcionamiento del código. El primero de ellos se trata de una demostración visual del correcto funcionamiento, mediante el uso de una FPGA (Field Programmable Gate Array) de Xilinx, utilizando la placa Nexys4DDR. El segundo de ellos, ha sido un ejemplo de aplicación mediante la emisión y recepción de datos, mediante el uso de una UART. Con todo ello, se pretende mostrar los mecanismos de uso de la criptografía mediante el diseño de cifradores y de ejemplos de aplicación.

Due to the increase in technology, as well as digital communications, it has also been necessary to increase the security of said communications. It is there where the need for cryptography arises, which guarantees, in addition to confidentiality, the authenticity of messages. Cryptography is increasingly present in different environments, having an evolution that does not seem to stop. Due to the incorporation of IoT devices, a type of cryptography called lightweight cryptography is taking off. This is a type of cryptography focused on devices with limited resources and where processing and power restrictions are very high. The main objective of this work is to show information about this type of cryptography, and to design an encryptor based on one of the lightweight algorithms and that includes authentication, called TinyJAMBU. This is one of the ten finalists of the National Institute of Standards and Technology (NIST) project that aims to establish new lightweight cryptography standards, and complement those that already exist in conventional cryptography. The design of the algorithm has been carried out in VHDL language, and using the Xilinx application of ISE Design. In addition to the code itself, verifications have been carried out, in which the correct functioning of the code is verified through simulations. In addition, two more designs have been carried out, serving as examples of the correct operation of the code. The first of them is a visual demonstration of the correct operation, through the use of a Xilinx FPGA (Field Programmable Gate Array), using the Nexys4DDR board. The second of them has been an example of application through the transmission and reception of data, through the use of a UART. With all this, it is intended to show the mechanisms of use of cryptography through the design of ciphers and application examples.