Масштабируемая архитектура сопроцессора безопасности для приложений Интернета вещей

Разработка и внедрение масштабируемых и эффективных решений в области безопасности стали одним из ключевых направлений исследований и практики в сфере кибербезопасности. В последнее время этому направлению уделяется повышенное внимание в связи с ростом частоты и сложности киберугроз для сетей Интернета вещей (IoT). В статье предлагается новая архитектура криптографического сопроцессора на базе RISC-V, предназначенная для обеспечения высокой эффективности и гибкости в приложениях Интернета вещей. Архитектура включает универсальный интерфейс для криптографических блоков, поддерживает параллельное выполнение криптографических операций и не требует пользовательских изменений архитектуры набора команд RISC-V. Предлагаемая разработка расширяет архитектуру RISC-V без добавления новых наборов команд для поддержки операций AES-128 и SHA-256, демонстрируя свои возможности с помощью соответствующих криптографических блоков. Новая архитектура процессора обеспечивает эффективную передачу данных между памятью и криптографическими блоками без задержки конвейера процессора благодаря использованию модулей ввода-вывода с отображением в память (MMIO) и прямого доступа к памяти (DMA), оптимизирующих обработку данных. Предлагаемая разработка реализована и верифицирована на FPGA-плате Xilinx ZCU-102 с использованием инструмента Vivado 2022.2. Разработанная система обеспечивает пропускную способность 8,2 Гбит/с для криптографического блока AES-128 и 482 Мбит/с для криптографического блока SHA-256 при относительно низкой тактовой частоте системы 64 МГц. Пропускная способность рассчитывается на основе числа тактов ядра каждого алгоритма, поскольку этот показатель широко используется в научной литературе. Однако общее сквозное число тактов предлагаемой разработки равно сумме тактов ядра и тактов работы сериализатора и десериализатора. Число тактов сериализатора/десериализатора зависит только от разрядности шины данных процессора. Кроме того, общее энергопотребление предлагаемой разработки составляет 1,575 Вт. Достижение такой высокой пропускной способности при пониженной частоте имеет существенное значение, поскольку позволяет разработчикам эффективнее минимизировать энергопотребление, повышая тем самым общую энергоэффективность и производительность системы.