轻量级分组密码RECTANGLE基于FELICS的实现与优化

随着物联网的普及以及RFID、传感器的广泛应用，轻量级密码算法受到人们越来越多的关注。对于一个轻量级密码算法，除了安全性之外，软件和硬件实现性能也非常重要。卢森堡大学的科研人员于2015年开发了一个开源框架——FELICS（FairEvaluation of Lightweight Cryptographic Systems），旨在公平地测评轻量级密码算法在嵌入式设备上的软件性能。FELICS需要在两种应用场景下（一为通信协议，另一为认证协议），测试一个密码算法在三种嵌入式平台（8位AVR、16位MSP以及32位ARM）下运行所需的Flash、RAM和执行时间，再对结果取加权平均值，并据此对参赛的轻量级分组密码的软件性能进行综合排名。到目前为止，FELICS已经包含了18个轻量级分组密码。本文首先分析FELICS中已提交的分组密码的C语言及汇编语言代码，总结常用的优化方法。然后在三种嵌入式平台上实现了轻量级分组密码RECTANGLE。进一步地，我们对算法轮密钥加、列变换、行移位这三种操作进行了优化。优化后的结果如下：在ARM平台，优化后轮函数所需的Flash减少42.6%、同时时间减少36.8%；在AVR平台场景1下，优化后RECTANGLE-128的RAM减少了12.0%、同时时间减少了5.0%，RECTANGLE-80的RAM减少了10.9%、同时时间减少了2.8%。FELICS的最终结果显示，在18个轻量级分组密码算法中，RECTANGLE在两种应用场景下分别排名第4和第5位，这表明RECTANGLE在嵌入式平台上具有优秀的软件性能。