دانلود پروژه:آنالیز، شبیه سازی، سنتز دیجیتالی و طراحی سخت افزاری الگوریتم رمزنگاری بلوکی سبک وزن Speck جهت استفاده در سیستم های RFID و شبکه های حسگر بی سیم

فهرست مطالب

چکیده ………………………………………………………………………………………………………………………………………18

فصل اول …………………………………………………………………………………………………………………………………..19

سیستم­های RFID و شبکه­های حسگر بی­سیم ……………………………………………………………………………….19

     1-1- مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………20

     1-2- تاریخچه RFID …………………………………………………………………………………………………………..20

     1-3- RFID چیست ……………………………………………………………………………………………………………..21

     1-4- اجزای یک سیستم RFID ……………………………………………………………………………………………………………..22

          1-4-1- برچسب ها ………………………………………………………………………………………………………..24

          1-4-2- کدخوان ……………………………………………………………………………………………………………28

          1-4-3- کنترل کننده ……………………………………………………………………………………………………….30

     1-5- RFID در برابر بارکد …………………………………………………………………………………………………….30

     1-6- کاربردهای سیستم RFID ……………………………………………………………………………………………………………..34

          1-6-1- کاربرد در مباحث پزشکی ……………………………………………………………………………………34

          1-6-2- کاربرد در مدیریت انبار ……………………………………………………………………………………….34

          1-6-3- کاربرد در صنعت حمل و نقل هوایی …………………………………………………………………….35

          1-6-4- کاربرد در ردیابی اموال ………………………………………………………………………………………..36

     1-7- فرکانس ها و استاندارد EPC …………………………………………………………………………………………36

     1-8- تهدیدهای معروف RFID ………………………………………………………………………………………………37

     1-9- شبکه های حسگر بی سیم ……………………………………………………………………………………………..38

          1-9-1- مقدمه ……………………………………………………………………………………………………………….38

          1-9-2- ساختار کلی شبکه های حسگر بی سیم ………………………………………………………………….39

          1-9-3- ویژگی های شبکه ……………………………………………………………………………………………….41

          1-9-4- کاربردهای شبکه…………………………………………………………………………………………………41

          1-9-5- اجزای شبکه ………………………………………………………………………………………………………43

فصل دوم……………………………………………………………………………………………………………………………………48

مبانی رمزنگاری …………………………………………………………………………………………………………………………48

     2-1- مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………49

     2-2- الگوریتم های رمزنگاری کلاسیک ………………………………………………………………………………….50

     2-3- رمزنگاری مدرن …………………………………………………………………………………………………………..51

          2-3-1- رمزنگاری جریانی ………………………………………………………………………………………………52

          2-3-2- رمزنگاری بلوکی ………………………………………………………………………………………………..52

     2-4- روش توزیع کلیدهای رمز ……………………………………………………………………………………………..53

          2-4-1- الگوریتم های رمزنگاری کلید عمومی ……………………………………………………………………53

          2-4-2- الگوریتم رمزنگاری دیفی-هلمن …………………………………………………………………………..54

          2-4-3- الگوریتم رمزنگاری کلید خصوصی ……………………………………………………………………….56

     2-5- مقایسه ی الگوریتم های متقارن و الگوریتم های کلید عمومی …………………………………………….57

     2-6- الگوریتم های تبادل کلید ……………………………………………………………………………………………….57

     2-7- الگوریتم RSA ……………………………………………………………………………………………………………………………….59

     2-8- الگوریتم AES ………………………………………………………………………………………………………………………………..61

          2-8-1- مرحله ی SubByte ……………………………………………………………………………………………………………62

          2-8-2- مرحله ی ShiftRows …………………………………………………………………………………………62

          2-8-3- مرحله ی MixColumns ……………………………………………………………………………………………………63

          2-8-4- مرحله ی AddRoundKey ………………………………………………………………………………….64

فصل سوم ………………………………………………………………………………………………………………………………….65

الگوریتم های رمزنگاری سبک وزن ……………………………………………………………………………………………..65

     3-1- مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………66

     3-2- الگوریتم های سازمان NSA …………………………………………………………………………………………..66

     3-3- خانواده ی رمز بلوکی Speck …………………………………………………………………………………………67

          3-3-1- تابع دور ……………………………………………………………………………………………………………67

          3-3-1- زمان بندی کلید ………………………………………………………………………………………………….70

     3-4- الگوریتم رمز بلوکی سبک وزن Klein …………………………………………………………………………….71

          3-4-1- مرحله ی تبدیل دور ……………………………………………………………………………………………72

          3-4-2- مرحله ی SubNibbles ……………………………………………………………………………………….72

          3-4-3- مرحله ی RotateNibbles ………………………………………………………………………………………………….72

          3-4-4- مرحله ی MixNibbles ……………………………………………………………………………………….73

          3-4-5- زمان بندی کلید ………………………………………………………………………………………………….73

     3-5- الگوریتم رمزنگاری سبک وزن Rectangle ………………………………………………………………………………….75

          3-5-1- توصیف الگوریتم ……………………………………………………………………………………………….75

          3-5-2- تبدیل دور …………………………………………………………………………………………………………76

          3-5-3- زمان بندی کلید ………………………………………………………………………………………………….77

          3-5-4- شبه کد الگوریتم …………………………………………………………………………………………………79

     3-6- الگوریتم رمزنگاری فوق سبک وزن Present ………………………………………………………………………………80

          3-6-1- توصیف الگوریتم ……………………………………………………………………………………………….80

          3-6-2- افزودن کلید دور …………………………………………………………………………………………………81

          3-6-3- جایگزینی S-box ……………………………………………………………………………………………………………….81

          3-6-4- لایه ی جایگردانی ………………………………………………………………………………………………82

          3-6-5- زمان بندی کلید ………………………………………………………………………………………………….83

فصل چهارم ………………………………………………………………………………………………………………………………84

شبیه سازی و پیاده سازی سخت افزاری ………………………………………………………………………………………..84

     4-1- مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………85

     4-2- مراحل کامل تولید چیپ های الکترونیکی …………………………………………………………………………85

     4-3- فازهای مختلف طراحی و سنتز مدار ………………………………………………………………………………..86

     4-4- نمودار Y …………………………………………………………………………………………………………………………………………88

     4-5- شبیه سازی و پیاده سازی سخت افزار الگوریتم Speck ……………………………………………………….89

     4-6- شبیه سازی و پیاده سازی سخت افزاری الگوریتم Klein ………………………………………………………………96

     4-7- شبیه سازی و پیاده سازی سخت افزاری الگوریتم Rectangle ……………………………………………………103

     4-8- شبیه سازی و پیاده سازی سخت افزاری الگوریتم رمزنگاری Present ……………………………………….109

فصل پنجم ………………………………………………………………………………………………………………………………116

نتیجه گیری و پیشنهادات …………………………………………………………………………………………………………..116

     5-1- نتیجه گیری ……………………………………………………………………………………………………………….117

     5-2- پیشنهادات …………………………………………………………………………………………………………………118

پیوست الف ……………………………………………………………………………………………………………………………..119

انجام چهار دور الگوریتم Speck به صورت دستی ………………………………………………………………………….120

پیوست ب ……………………………………………………………………………………………………………………………….124

یک نمونه متن رمز شده با الگوریتم Speck …………………………………………………………………………………………………..125

پیوست ج ………………………………………………………………………………………………………………………………..126

نتایج شبیه سازی و Cross Corellation در نرم افزار متلب ……………………………………………………………….127

واژه نامه …………………………………………………………………………………………………………………………………..130

مراجع ……………………………………………………………………………………………………………………………………..134

فهرست اشکال و جداول

شکل 1-1- ساختار کلی سیستم RFID ………………………………………………………………………………………………………..23

شکل 1-2- نمونه هایی از برچسب RFID …………………………………………………………………………………………………….24

شکل 1-3- نمونه هایی از کدخوان RFID ……………………………………………………………………………………………………..24

شکل 1-4- ساختار کلی شبکه های حسگر بی سیم …………………………………………………………………………40

شکل 1-5- ساختار کلی گره های حسگر بی سیم …………………………………………………………………………..41

شکل 2-1- مخترعان الگوریتم RSA ……………………………………………………………………………………………………………..59

شکل 2-2- رمزنگاری با استفاده از الگوریتم RSA ………………………………………………………………………………………..59

شکل 2-3- مرحله SubBytes الگوریتم AES ……………………………………………………………………………………………….61

شکل 2-4- مرحله ShiftRows الگوریتم AES ……………………………………………………………………………………………..62

شکل 2-5- مرحله MixColumns الگوریتم AES ………………………………………………………………………………………..63

شکل 2-6- مرحله AddRoundKey الگوریتم AES …………………………………………………………………………………….63

جدول 3-1- اندازه­های کلید و بلوک داده برای الگوریتم­های Simon و Speck ……………………………………………66

جدول 3-2- پارامترهای الگوریتم Speck ………………………………………………………………………………………………………67

شکل 3-1- تابع دور الگوریتم Speck …………………………………………………………………………………………………………….68

شکل 3-2- تابع دور الگوریتم Speck به صورت تجزیه فیستلی ………………………………………………………….68

شکل 3-3- گسترش کلید الگوریتم Speck با استفاده از تابع دور آن R_i ………………………………………………………..69

جدول 3-3- پارامترهای S-box الگوریتم Klein …………………………………………………………………………………………..71

شکل 3-4- مرحله­ی Rotate Nibbles الگوریتمKlein  ………………………………………………………………………………..72

شکل 3-5- زمان بندی کلید الگوریتم klein برای حالت 64 بیتی ………………………………………………………..73

شکل 3-6- روند مسیر داده برای الگوریتم Klein-64 ……………………………………………………………………………………74

جدول 3-4- پارامترهای S-box الگوریتم Rectangle به صورت هگزادسیمال ………………………………………76

شکل 3-7- نحوه اعمال S-box ها در الگوریتم Rectangle …………………………………………………………………………….76

شکل 3-8- روند مسیر داده برای الگوریتم Rectangle-80 ……………………………………………………………………………78

شکل 3-9- ثابت های دور برای الگوریتم Rectangle-80 …………………………………………………………………………….78

شکل 3-10- ساختار توصیفی سطح بالای الگوریتم Present ………………………………………………………………………..79

جدول 3-5- پارامترهای S-box الگوریتم Present ………………………………………………………………………………………….81

جدول 3-6- پارامترهای جایگردانی الگوریتم Present ………………………………………………………………………………………81

شکل 3-11- ساختار جایگزینی- جایگردانی الگوریتم Present ……………………………………………………………………..81

شکل 3-12- روند مسیر داده برای الگوریتم Present-64 ………………………………………………………………………………82

شکل 4-1- مراحل کامل تولید چیپ الکترونیکی ……………………………………………………………………………..85

شکل 4-2- سطوح مختلف طراحی مدار …………………………………………………………………………………………86

شکل 4-3- اصطلاحات اتوماسیون طراحی ……………………………………………………………………………………..87

شکل 4-4- فازهای مختلف توصیف طراحی مدار ……………………………………………………………………………88

شکل 4-5- نتایج شبیه سازی کد VHDL الگوریتم Speck …………………………………………………………………………..89

شکل 4-6- نتایج شبیه سازی کد Verilog الگوریتم Speck ………………………………………………………………………….89

شکل 4-7- فلوچارت ارائه شده برای اجرای الگوریتم Speck ………………………………………………………………………91

شکل 4-8- زمان بندی، تخصیص و مرتبط سازی با 7 گام کنترلی ……………………………………………………….92

شکل 4-9- زمان بندی، تخصیص و مرتبط سازی با 10 گام کنترلی ……………………………………………………..93

شکل 4-10- سخت افزار طراحی شده الگوریتم Speck ………………………………………………………………………………..94

شکل 4-11- توالی ساز الگوریتم Speck ……………………………………………………………………………………………………….94

جدول 4-1- پارامترهای توالی ساز الگوریتم Speck ……………………………………………………………………………………..95

جدول 4-2- منابع مصرفی حاصل از پیاده سازی الگوریتم Speck ………………………………………………………………..95

جدول 4-3- بردارهای آزمون الگوریتم Klein ………………………………………………………………………………………………96

شکل 4-12- نتایج شبیه سازی کد VHDL الگوریتم Klein ………………………………………………………………………….96

جدول 4-4- پارامترهای توالی ساز الگوریتم Klein ………………………………………………………………………………………98

شکل 4-13- زمان بندی، تخصیص و مرتبط سازی S-box الگوریتم Klein …………………………………………………99

شکل 4-14- توالی ساز الگوریتم Klein ………………………………………………………………………………………………………..99

شکل 4-15- سخت افزار مربوط به S-box الگوریتم Klein ……………………………………………………………………….100

شکل 4-16- دیاگرام بلوکی بخش پردازش اطلاعات الگوریتم Klein ………………………………………………………..100

شکل 4-17- زمان بندی، تخصیص و مرتبط سازی مربوط به مرحله ی MixNibbles ………………………………101

جدول 4-5- منابع مصرفی حاصل از پیاده سازی الگوریتم Klein ………………………………………………………………101

جدول 4-6- بردارهای آزمون الگوریتم Rectangle ……………………………………………………………………………………102

شکل 4-18- نتایج شبیه سازی کد VHDL الگوریتم Rectangle ……………………………………………………………….102

شکل 4-19- سخت افزار مربوط به S-box الگوریتم Rectangle ……………………………………………………………….104

شکل 4-20- زمان بندی، تخصیص و مرتبط سازی S-box الگوریتم Rectangle ………………………………………105

جدول 4-7- پارامترهای توالی ساز الگوریتم Rectangle ……………………………………………………………………………106

شکل 4-21- توالی ساز الگوریتم Rectangle ……………………………………………………………………………………………..106

جدول 4-8- منابع مصرفی حاصل از پیاده سازی الگوریتم Rectangle ………………………………………………………107

جدول 4-9- بردار آزمون الگوریتم Present-80 ………………………………………………………………………………………….108

شکل 4-22- نتایج شبیه سازی کد VHDL الگوریتم Present-80 ………………………………………………………………108

جدول 4-10- جدول درستی مربوط به S-box الگوریتم Present ………………………………………………………………110

شکل 4-23- زمان بندی، تخصیص و مرتبط سازی مربوط به S-box الگوریتم Present ……………………………110

شکل 4-24- طراحی سخت افزار مربوط به S-box الگوریتم Present ……………………………………………………….111

شکل 4-25- واحد توالی ساز مربوط به S-box الگوریتم Present ……………………………………………………………..111

جدول 4-11- پارامترهای واحد توالی ساز S-box الگوریتم Present …………………………………………………………112

جدول 4-12- منابع مصرفی حاصل از پیاده سازی الگوریتم Present …………………………………………………………112

شکل 4-26- زمان بندی، تخصیص و مرتبط سازی مربوط به بخش پردازش اطلاعات الگوریتم Present ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….113

جدول 4-13- مقایسه هزینه­های سخت افزاری پیاده سازی الگوریتم­های سبک وزن ارائه شده ………………114

شکل 1- پیوست ج – نتیجه Cross Corellation برای یک ورودی و خروجی ……………………………………126

شکل 2- پیوست ج – نتیجه Cross Corellation برای دو ورودی و خروجی ……………………………………..126

شکل 3- پیوست ج – نتیجه Cross Corellation برای سه ورودی و خروجی …………………………………….127

شکل 4- پیوست ج – نتیجه Cross Corellation برای چهار ورودی و خروجی ………………………………….127

شکل 5- پیوست ج – نتیجه Cross Corellation برای 32 ورودی و خروجی ……………………………………..128

شکل 6- پیوست ج – نتیجه Cross Corellation برای یک ورودی با ورودی ……………………………………..128