Abschlussbericht

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Trusted Sensor Node
Das Programm in der Kontrolleinheit führt die Punktmultiplikation entsprechend dem Lopez-Dahab-Algorithmus
[32] aus. Dieser Algorithmus erlaubt die Ausführung einer EC
Punktmultiplikation (ECPM) mit lediglich einer Division im Basisfeld. Diese eine Division
wird mittels des Itoh-Tsujii-Ansatzes [22] berechnet. Durch den im Design vorhandenen
schnellen Quadrierer und Multiplizierer ist dieser Algorithmus schneller und ressourcensparender
als zum Beispiel der alternative erweiterte Euklidische Algorithmus. Die Algorithmen
sind Teil des fest verdrahteten Programms in der Kontrolleinheit, die den Fluss der
Daten zwischen den Rechen- und Registereinheiten steuert.
Die Flexibilität des Designs bezüglich der Funktionseinheiten erlaubt es, eine praxisnahe
„Design-Space-Exploration“ durchzuführen. Mittels dieser Exploration wird der Einfluss
der Anzahl und der Geschwindigkeit der einzelnen Funktionseinheiten auf die Leistung
des gesamten Systems ermittelt. Die Untersuchung ergab, dass die Geschwindigkeit der
Feldmultiplikation die wichtigste Einflussgröße für die Leistung des Gesamtsystems darstellt.
Mehrere Multipliziereinheiten können allerdings überraschenderweise die Leistung
nicht entscheidend verbessern. Deshalb werden letztlich drei Designs für die 233-Bit-ECC-
Beschleunigung näher untersucht. Deren wesentlicher Unterschied liegt in der Geschwindigkeit
und damit der Größe des Feldmultiplizierers.
Für eine Feldmultiplikation erfordert das schnellste und damit auch das größte Design drei
Taktzyklen. Das mittelgroße Design benötigt neun und das kleinste 27 Taktzyklen. Die Gesamtzeit
für eine ECPM beträgt 60 µs für das schnellste, 80 µs für das mittlere und 230
µs für das kleinste Design. Die schnelleren beiden Designs gehören zu den schnellsten
bisher veröffentlichten Implementierungen. Dabei ist die erforderliche Siliziumfläche von
2,1 mm 2 für das größte bis zu 1,3 mm 2 für das kleinste Design im Vergleich zu anderen
Implementierungen mit vergleichbarer Geschwindigkeit sehr gering. Die benötigte Energie
der vorgestellten Designs für eine ECPM ist geringer als bei allen anderen bisher veröffentlichten
Implementierungen. Entsprechend dem 233-Bit-Design wurden auch Designs
für andere elliptische Kurven bis zu 571 Bit implementiert, vermessen und verglichen. Abbildung
2.10 zeigt die verschiedene Flächen und Energieverbräuche für eine ECPM der
untersuchten Designs von 163 bis 571 Bit.
Für den TSN wurde die 233-Bit-Implementierung mit der mittleren Geschwindigkeit, d.h. 9
Clockzyklen pro Feldmultiplikation, gewählt.
Dies wird dadurch begründet, dass die 233-Bit-Implementierung das beste Verhältnis zwischen
Fläche und Energie und Leistung (Geschwindigkeit) verspricht und dabei eine hohe
Sicherheit bietet. Für eine noch höhere Sicherheit besteht die Möglichkeit der Nutzung
größerer Schlüssellängen, wobei das entsprechend mehr Fläche in der Schaltung, mehr
Berechnungszeit und auch mehr Stromverbrauch implizieren würde.
Die 233-Bit-Implementierung wurde bereits in einem System-on-Chip (SoC) integriert, das
neben einem eingebetteten 32-Bit-Prozessor Hardwareblöcke für die Verarbeitung von
Netzwerkprotokollen und symmetrischer Verschlüsselung umfasst. Auf diesem Chip, der
bereits im IHP in 0,25-µm-CMOS-Technologie gefertigt wurde, kann die Leistung des Hardwaredesigns
gut mit einer alternativen Softwareimplementierung (MIRACL [47]), die auf
dem eingebettetem Prozessor läuft, verglichen werden. Im Vergleich mit der Softwareim-
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