دانلود پروژه: شبیه سازی و طراحی سخت افزاری الگوریتم های رمزنگاری بلوکی سبک وزن Simon، Twine، FeW و Piccolo با رویکرد سنتز سطح بالا جهت استفاده در سیستم های RFID و شبکه های حسگر بی سیم

فهرست مطالب

چکیده ………………………………………………………………………………………………………………………………………19

فصل اول …………………………………………………………………………………………………………………………………..20

مبانی رمزنگاری ………………………………………………………………………………………………………………………….20

     1-1- مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………21

     1-2- تقسیم بندی الگوریتم های رمزنگاری………………………………………………………………………………23

          1-2-1- الگوریتم RSA ………………………………………………………………………………………………….23

     1-3- امنیت پیام به وسیله ی احراز هویت………………………………………………………………………………. 25

          1-3-1- مثلت CIA ………………………………………………………………………………………………………..26

     1-4- تابع درهم ساز …………………………………………………………………………………………………………….27

          1-4-1- طبقه بندي توابع درهم ساز …………………………………………………………………………………..29

          1-4-2- حداقل شرایط امنیتی براي توابع درهم ساز ……………………………………………………………..30

     1-5- کد اصالت‌سنجی پیام ……………………………………………………………………………………………………32

          1-5-1- کد اصالت‌سنجی پیام برپایه درهم‌سازی ………………………………………………………………..32

     1-6- امضای دیجیتال ……………………………………………………………………………………………………………34

     1-7- حملات در رمزنگاری …………………………………………………………………………………………………..35

          1-7-1- حملات رمزنگاری بر اساس ویژگی آن ها …………………………………………………………….36

          1-7-2- حملات کلاسیک در رمزنگاری ……………………………………………………………………………38

          1-7-3- حملات کانال جانبی در رمزنگاری ……………………………………………………………………….39

فصل دوم …………………………………………………………………………………………………………………………………..42

سیستم های RFID و شبکه های حسگر بی سیم …………………………………………………………………………….42

     2-1- مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………43

     2-2- تاريخچه RFID ……………………………………………………………………………………………………………43

     2-3- معرفی تکنولوژی RFID  ……………………………………………………………………………………………..44

     2-4- RFID چگونه عمل می کند؟ ………………………………………………………………………………………..44

     2-5- اجزای RFID  ……………………………………………………………………………………………………………..45

          2-5-1- کدخوان ……………………………………………………………………………………………………………45

          2-5-2- برچسب ……………………………………………………………………………………………………………47

          2-5-3- کنترل کننده ……………………………………………………………………………………………………….50

     2-6- طيف فركانسی RFID …………………………………………………………………………………………………..51

     2-7- آیا RFID بهتر از کد ميله ای است؟ ……………………………………………………………………………….51

     2-8- خصوصیات و قابلیت های سیستم RFID ………………………………………………………………………..52

     2-9- کاربردهاي RFID ………………………………………………………………………………………………………..53

          2-9-1- کاربرد RFID در فروشگاه ها ………………………………………………………………………………54

          2-9-2- کاربرد RFID در کنترل سرعت …………………………………………………………………………….54

          2-9-3- جلوگیری از سرقت اتومبیل ………………………………………………………………………………….55

          2-9-4- کاربرد در کارخانه ……………………………………………………………………………………………….56

          2-9-5- تکنولوژی NFC …………………………………………………………………………………………………56

     2-10- وضعیت  RFIDدر ایران ………………………………………………………………………………………………58

     2-11- شبکه های حسگر بی سیم …………………………………………………………………………………………..60

          2-11-1- مقدمه ……………………………………………………………………………………………………………..60

          2-11-2- معرفی شبکه حسگر ………………………………………………………………………………………….61

          2-11-3- ساختار كلي شبكه حسگر بي سيم ………………………………………………………………………62

          2-11-4- ساختمان گره …………………………………………………………………………………………………..64

          2-11-5- ويژگي های شبکه …………………………………………………………………………………………….65

          2-11-6- كاربردهای شبکه ……………………………………………………………………………………………..65

          2-11-7- طراحی شبکه …………………………………………………………………………………………………..67

فصل سوم ………………………………………………………………………………………………………………………………….71

الگوریتم های رمزنگاری سبک وزن ………………………………………………………………………………………………71

     3-1- مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………72

     3-2- الگوریتم­های سازمان NSA ……………………………………………………………………………………………72

     3-3- خانواده ی رمز بلوکی Simon …………………………………………………………………………………………73

          3-3-1- تابع دور ……………………………………………………………………………………………………………73

          3-3-2- زمان بندی کلید …………………………………………………………………………………………………75

     3-4- توصیف الگوریتم Twine ……………………………………………………………………………………………..78

          3-4-1- بخش پردازش اطلاعات ……………………………………………………………………………………..78

          3-4-2- زمان بندی کلید …………………………………………………………………………………………………80

          3-4-3- فرآیند رمزگشایی ……………………………………………………………………………………………….81

     3-5- الگوریتم رمز بلوکی سبک وزن FeW …………………………………………………………………………….83

          3-5-1- توصیف الگوریتم FeW ……………………………………………………………………………………..83

          3-5-2- روند رمزنگاری الگوریتم FeW …………………………………………………………………………..85

          3-5-3- تابع دورF …………………………………………………………………………………………………………85

          3-5-4 تابع دور WF₁  ……………………………………………………………………………………………………86

          3-5-5- تابع دور WF₂ …………………………………………………………………………………………………..87

          3-5-6- جایگزینی S-box ………………………………………………………………………………………………88

          3-5-7- زمان بندی کلید برای MK-80 …………………………………………………………………………….88

     3-6- الگوریتم رمزنگاری بلوکی فوق سبک وزن Piccolo ………………………………………………………..89

          3-6-1- بخش پردازش اطلاعات ………………………………………………………………………………………89

          3-6-2- زمان بندی کلید …………………………………………………………………………………………………93

فصل چهارم ……………………………………………………………………………………………………………………………….94

شبیه سازی و پیاده سازی سخت افزاری …………………………………………………………………………………………94

     4-1- مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………95

     4-2- مراحل مختلف یک طراحی دیجیتال ……………………………………………………………………………….95

     4-3- مراحل مختلف سنتز سطح بالا ……………………………………………………………………………………….96

     4-4- آرایه گیت میدانی قابل برنامه ریزی ……………………………………………………………………………… 98

     4-5- شبیه سازی و پیاده سازی سخت افزاری الگوریتم Simon …………………………………………………99

     4-6- شبیه سازی و پیاده سازی سخت افزاری الگوریتم Twine ……………………………………………….106

          4-6-1- سنتز لایه ی S-box ………………………………………………………………………………………….107

          4-6-2- سنتز بخش پردازش اطلاعات ……………………………………………………………………………110

     4-7- شبیه سازی و پیاده سازی سخت افزاری الگوریتم FeW …………………………………………………112

          4-7-1- سنتز لایه ی S-box ………………………………………………………………………………………….112

          4-7-2- سنتز بخش پردازش اطلاعات ……………………………………………………………………………114

     4-8- شبیه سازی و پیاده سازی سخت افزاری الگوریتم Piccolo ……………………………………………..120

          4-8-1- سنتز لایه ی S-box ………………………………………………………………………………………….121

          4-8-2- سنتز مرحله تابع F …………………………………………………………………………………………..121

          4-8-3- سنتز بخش پردازش اطلاعات …………………………………………………………………………….126

     4-9- نتایج پیاده سازی و سنتز دیجیتال …………………………………………………………………………………127

فصل پنجم ………………………………………………………………………………………………………………………………128

نتیجه گیری ……………………………………………………………………………………………………………………………..128

     5-1- نتیجه گیری ………………………………………………………………………………………………………………129

     5-2- پیشنهاد کارهای آینده …………………………………………………………………………………………………130

پیوست الف ……………………………………………………………………………………………………………………………..131

انجام شش دور الگوریتم Simon به صورت دستی ………………………………………………………………………….132

پیوست ب ……………………………………………………………………………………………………………………………….136

یک نمونه متن رمز شده با الگوریتم Simon ………………………………………………………………………………………………….137

پیوست ج ………………………………………………………………………………………………………………………………..138

نتایج شبیه سازی و Cross Correlation در نرم افزار متلب ……………………………………………………………..139

واژه نامه انگلیسی به فارسی ……………………………………………………………………………………………………….142

مراجع ……………………………………………………………………………………………………………………………………..146

فهرست اشکال و جداول

شکل 1-1- مخترعان الگوریتم RSA …………………………………………………………………………………………….24

شکل 1-2- رمزنگاری و احراز هویت با استفاده از الگوریتم RSA …………………………………………………….24

شکل 1-3- مثلث CIA ……………………………………………………………………………………………………………….26

شکل 1-4- نحوه ی عملکرد تابع درهم ساز ………………………………………………………………………………….28

شکل 1-5- ساختار تابع درهم ساز SHA-1 ………………………………………………………………………………….28

شکل 1-6- کاربرد تابع در هم ساز برای ذخیره سازی کلمات عبور ……………………………………………………28

شکل 1-7- شرایط امنیتی براي توابع درهم ساز……………………………………………………………………………….31

شکل 1-8- نحوه ی عملکرد کد اصالت سنجی پیام(MAC)……………………………………………………………..32

شکل 1-9- ساختار HMAC…………………………………………………………………………………………………………33

شکل 1-10- شیوه ی استفاده از امضای دیجیتال …………………………………………………………………………….35

شکل 2-1- ساختار کلی سیستم RFID ………………………………………………………………………………………….45

شکل 2-2- نمونه هایی از کدخوان RFID………………………………………………………………………………………46

شکل 2-3- نمونه هایی از برچسب RFID……………………………………………………………………………………..50

شکل 2-4- ساختار کلی شبکه های حسگر بی سیم…………………………………………………………………………63

شکل 2-5- ساختار گره های شبکه حسگر بی سیم………………………………………………………………………….64

شکل 2-6- نمونه هایی از حسگر…………………………………………………………………………………………………..65

شکل 3-1- تابع دور الگوریتم Simon…………………………………………………………………………………………..74

جدول 3-1- پارامترهای الگوریتم Simon………………………………………………………………………………………74

شکل 3-2: زمان بندی کلید الگوریتم Simon برای حالت m=2 ………………………………………………………..77

شکل 3-3: زمان بندی کلید الگوریتم Simon برای حالت m=3 ………………………………………………………..77

شکل 3-4: زمان بندی کلید الگوریتم Simon برای حالت m=4 ………………………………………………………..77

جدول 3-2- پارامترهای S-box الگوریتم Twine……………………………………………………………………………79

جدول 3-3- پارامترهای Block Shuffle الگوریتم Twine……………………………………………………………….79

شکل 3-8: تابع دور الگوریتم Twine……………………………………………………………………………………………..79

شکل 3-9: زمان بندی کلید الگوریتم Twine-64 …………………………………………………………………………….80

جدول 3-4: ثابت های دور CONⁱ  الگوریتم Twine ………………………………………………………………………..81

شکل 3-10: روند مسیر داده برای الگوریتم Twine-64 …………………………………………………………………….82

شکل 3-11: ساختار فیستلی الگوریتم FeW……………………………………………………………………………………84

شکل 3-12: ساختار تابع دور F الگوریتم FeW………………………………………………………………………………..86

جدول 3-5: پارامترهای S-box الگوریتم FeW………………………………………………………………………………….88

جدول 3-6: پارامترهای S-box الگوریتم Piccolo به صورت هگزادسیمال……………………………………………91

شکل 3-13: ساختار تابعF الگوریتم Piccolo ……………………………………………………………………………………91

شکل 3-14: ساختار تابع G_r الگوریتم Piccolo …………………………………………………………………………………91

شکل 3-15: مدار طراحی شده برای S-box الگوریتم Piccolo ……………………………………………………………92

شکل 3-16: ساختار جایگردانی الگوریتم Piccolo ……………………………………………………………………………92

شکل 3-17: نمودار روند داده الگوریتم Piccolo …………………………………………………………………………….92

شکل 4-1: مراحل مختلف یک طراحی دیجیتال……………………………………………………………………………….96

شکل 4-2: نتایج شبیه سازی کد Verilog الگوریتم Simon32/64……………………………………………………100

شکل 4-3: نتایج شبیه سازی کد VHDL الگوریتم Simon32/64…………………………………………………….100

شکل 4-4: زمان بندی، تخصیص و مرتبط سازی با 5 گام کنترلی برای الگوریتم Simon32/64……………101

شکل 4-5: فلوچارت ارائه شده برای اجرای الگوریتم Simon ………………………………………………………..102

شکل 4-6 زمان بندی، تخصیص و مرتبط سازی با 7 گام کنترلی برای الگوریتم Simon32/64…………….103

شکل 4-7: سخت افزار طراحی شده برای اجرای الگوریتم Simon………………………………………………….104

شکل 4-8: واحد توالی ساز الگوریتم Simon………………………………………………………………………………..104

جدول 4-1: پارامترهای واحد توالی ساز الگوریتم Simon………………………………………………………………105

جدول 4-2: منابع مصرفی حاصل از پیاده سازی الگوریتم Simon……………………………………………………..105

جدول 4-3: بردار آزمون الگوریتم Twine-80……………………………………………………………………………….106

شکل 4-9: نتایج شبیه سازی الگوریتم Twine-80………………………………………………………………………….106

جدول 4-4: جدول درستی مربوط به S-box الگوریتم Twine…………………………………………………………107

شکل 4-10: زمان بندی، تخصیص و مرتبط سازی مربوط به S-box الگوریتم Twine………………………..108

شکل 4-11: طراحی سخت افزار مربوط به S-box الگوریتم Twine…………………………………………………109

شکل 4-12: واحد توالی ساز مربوط به S-box الگوریتم Twine………………………………………………………109

جدول 4-5: پارامترهای واحد توالی ساز S-box الگوریتم Twine…………………………………………………….110

شکل 4-13: زمان بندی، تخصیص و مرتبط سازی مربوط به بخش پردازش اطلاعات الگوریتم Twine…..111

جدول 4-6: منابع مصرفی حاصل از پیاده سازی الگوریتم Twine…………………………………………………….111

جدول 4-7: بردار آزمون الگوریتم FeW-80………………………………………………………………………………….112

شکل 4-14: نتایج شبیه سازی الگوریتم FeW-80…………………………………………………………………………..112

جدول 4-8: جدول درستی مربوط به S-box الگوریتم FeW……………………………………………………………113

شکل 4-15: زمان بندی، تخصیص و مرتبط سازی مربوط به S-box الگوریتم FeW…………………………..115

شکل 4-16: طراحی سخت افزار مربوط به S-box الگوریتم FeW…………………………………………………….116

شکل 4-17: واحد توالی ساز مربوط به S-box الگوریتم FeW………………………………………………………..116

شکل 4-18: زمان بندی، تخصیص و مرتبط سازی مربوط به بخش پردازش اطلاعات الگوریتم FeW…..117

جدول 4-9: پارامترهای واحد توالی ساز S-box الگوریتم Few ………………………………………………………118

شکل 4-19: طراحی سخت افزار مربوط به بخش پردازش اطلاعات الگوریتم FeW……………………………118

جدول 4-10: منابع مصرفی حاصل از پیاده سازی الگوریتم FeW……………………………………………………..119

جدول 4-11: بردار آزمون الگوریتم Piccolo…………………………………………………………………………………120

شکل 4-20: نتایج شبیه سازی کد VHDL الگوریتم Piccolo………………………………………………………….120

شکل 4-21: زمان بندی، تخصیص و مرتبط سازی S-box الگوریتم Piccolo…………………………………….123

شکل 4-22: سخت افزار مربوط به S-box الگوریتم Piccolo…………………………………………………………124

شکل 4-23: توالی ساز الگوریتم Piccolo ……………………………………………………………………………………124

جدول 4-12: پارامترهای توالی ساز الگوریتم Piccolo…………………………………………………………………..124

شکل 4-24: زمان بندی، تخصیص و مرتبط سازی مربوط به مرحله­ی تابع F الگوریتم Piccolo…………..125

شکل 4-25: زمان بندی برای بخش پردازش اطلاعات الگوریتم Piccolo………………………………………….126

جدول 4-13: منابع مصرفی حاصل از پیاده سازی الگوریتم Piccolo ……………………………………………….127

جدول 4-14: مقایسه هزینه های سخت افزاری پیاده سازی الگوریتم های سبک وزن ارائه شده ………….127

شکل 1- پیوست ج – نتیجه Cross Correlation برای یک ورودی و خروجی ……………………………………139

شکل 2- پیوست ج – نتیجه Cross Correlation برای دو ورودی و خروجی ……………………………………..139

شکل 3- پیوست ج – نتیجه Cross Correlation برای سه ورودی و خروجی …………………………………….140

شکل 4- پیوست ج – نتیجه Cross Correlation برای چهار ورودی و خروجی ………………………………….140

شکل 5- پیوست ج – نتیجه Cross Correlation برای 32 ورودی و خروجی …………………………………….141

شکل 6- پیوست ج – نتیجه Cross Correlation برای یک ورودی با ورودی ……………………………………..141