I n d on e s i an   Jo u r n al   o El e c t r i c al   En gi n e e r i n g   an d   C o m p u te r   S c i e n c e   V o l .   20 ,   N o .   1 O c t o be r   20 20 ,   pp .   287 ~ 299   IS S N :   25 02 - 4752 ,   D O I :   10. 1 1591 / i j e e c s . v 20 .i 1 . pp287 - 299             287       Jou r n al   h o m e pa ge ht t p: / / i j e e c s . i a e s c or e . c om   D e si g n   a n d   i m p l e m e n t a t i o n   o f   p i p e l i n e d   a n d   p a r a l l e l   A E S   e n c r y p t i o n   s y st e m s usi n g   FPGA       M o h am e d   N ab i l 1 ,   A s h r af  A .   M .   K h al af 2 ,   S a r a   M .   H as s an 3   1 , 2 E l e c t r o ni c s   a n C o m m uni c a t i o ns   E ng i ne e r i ng   D e pa r t m e n t ,   F a c ul t y   o f   E ng i ne e r i ng ,   M i ni a   U ni v e r s i t y ,   E gy pt   3 E l e c t r o ni c s   a nd   C o m m uni c a t i o ns   E ng i ne e r i ng   D e p a r t m e n t ,   M o de r A c a de m y   f o r   E ng i ne e r i ng   a nd   T e c hno l o gy ,   E gy pt       A r ti c l e   I n fo     A B S TR A C T   Ar t i c l e   h i s t or y :   R e c e i v e d   J a n   9 ,   20 20   R e v i s e Ma r   1 5 ,   20 20   A c c e pt e A p r   1 9 ,   2020       T he   i nf o r m a t i o s e c u r i t y   i s   o ne   o f   t h e   m o s t   i m po r t a n t   i s s ue s   i n   t he   d e s i g   o f   a n y   c o m m uni c a t i o ne t w o r k .   O ne   o f   t he   m o s t   c o m m o e nc r y pt i o a l g o r i t hm s   i s   t he   A dv a nc e E nc r y pt i o S t a n da r ( A E S ) .   T h e   m a i pr o bl e m   f a c i ng   t he   A E S   a l go r i t hm   i s   t h e   hi g t i m e   c o ns um pt i o due   t o   t he   l a r g e   num be r   o f   r o unds   us e f o r   pe r f o r m i ng   t he   e nc r y pt i o o pe r a t i o n .   T he   m o r e   t i m e   t h e   e nc r y pt i o s y s t e m   c o ns um e s   t o   e nc r y pt   t h e   da t a ,   t h e   m o r e   c ha nc e s   t he   ha c ke r s   ha v e   t o   br e a t h e   s y s t e m .   T hi s   pa pe r   pr e s e nt s   t w o   e f f e c t i v e   a l g o r i t hm s   t h a t   c a b e   us e t o   s o l v e   t he   m e n t i o ne pr o bl e m   a nd  t o   a c hi e v e     a e f f e c t i v e   pr o c e s s i ng   t i m e   r e duc t i o us i ng   pi p e l i ne a nd   pa r a l l e l   t e c hni que s   t o   pe r f o r m   t he   e nc r y pt i o s t e ps .   T he s e   a l g o r i t hm s   a r e   ba s e o n   us i ng   c e r t a i t e c hn i qu e s   t o   m a ke   t he   s y s t e m   a b l e   t o   e nc r y pt   m a ny   di f f e r e n t   s t a t e s   ( t he   da t a   w i l l   be   e nc r y pt e d)   i t he   s a m e   t i m e   w i t no   ne c e s s i t y   t o   w a i t   f o r   t he   pr e v i o us   e nc r y pt i o o pe r a t i o t o   be   c o m pl e t e d.   T he s e   t w o   a l g o r i t hm s   a r e   v e r y   e f f e c t i v e   e s pe c i a l l y   f o r   bi g   da t a   s i z e .   T h i s   pa pe r   d e s c r i be s   i de t a i l   t he   A E S   e nc r y pt i o s y s t e m   a l g o r i t hm   a nd  a   d e t a i l e d   e xp l a n a t i o f o r     t he   pr o po s e a l g o r i t hm s .   M o r e o v e r ,   t he   r e s e a r c s ho w s   t he   i m p l e m e nt a t i o o f   t he   t h r e e   a l g o r i t hm s :   t he   t r a di t i o na l ,   t he   pi pe l i n e d ,   a nd  t h e   pa r a l l e l   a l g o r i t hm s ,   a n f i na l l y   a   c o m pa r i s o be t w e e n   t h e m .   Ke y w or d s :   A E S   E n c r y pt i o n   N e t w o r k   P i pe l i n e d   P a ra l l e l   C opy r i gh t   ©   2020   I n s t i t ut e   o f   A dv anc e E ng i ne e r i ng   and   S c i e nc e .     A l l   r i gh t s   r e s e r v e d .   Cor r e s pon di n g   Au t h or :   M o h a m e d   N a b i l ,   E l e c t r o n i c s   a n d   Co m m u ni c a t i o n s   D e pa r t m e nt ,   F a c ul t y   of   E n g i n e e ri n g,   M i ni a   U ni v e r s i t y ,   M i n i a   E gy pt .   E m a i l :   m o ha m m e d na b e l 5050@ g m a i l . c o m       1.   I N TR O D U C TI O N     T h e   da t a   e n c r y pt i o n   t e c hn i q ue s   a r e   a l go ri t hm s   w h e r e   i m po rt a n t   da t a   i s   e n c r y pt e d,   a n t h e   o nl y   c l i e n t   w h o   c a n   a c c e s s   t h i s   d a t a   i n f o r m a t i o n   i s   t h e   us e r   w h o   h a s   t h e   c o rr e c t   e n c r y pt i o n   ke y .   T h e   s c i e n t i s t s   t r y   t de ve l o a   n e w   e n c r y pt i o n   a l go r i t hm   t o   pr e v e n t   ha c ki n g ;   t h e   upda t e   o f   h a c ki ng  a n t h e   c o n t i nuo us   di s c o ve r y   of   ga ps   m a ke s   t h e   pr o c e s s   of   t h e   i n f o r m a t i o n   s e c uri t y   m o r e   di ff i c ul t .   T h e   A dv a n c e E n c r y pt i o n   S t a nda r d   (A E S i s   o n e   o f   t h e   d a t a   e n c r y pt i o t e c hni que s   [1 ,   2].   T h e   A E S   i s   a l s o   k n o w n   a s   R i j n d a e l   a l go r i t hm ,   a n i t   i s   d e ve l o p e by   V i n c e n t   R i j m e n   a n J o a D a e m e n.   T h e   U ni t e S t a t e s   N a t i o na l   I n s t i t u t e   o f   S t a nda r d s   a n T e c hn o l o g y   (N IS T ha s   de t e rm i n e t hr e e   a l go ri t hm s   o f   t h e   A E S ,   e a c h   h a s   128  b i t s   b l o c s i z e ,   b ut   t h e   ke y   l e n gt h   i s   o n e   o f   t h e s e   s i z e s :   128,   192 ,   o r   256   b i t s .   I t   i s   a   s y m m e t ri c - ke y   t e c h ni que   t h a t   us e s   t h e   s a m e   ke y   fo r   e n c r y pt i n a n d   t h e   d e c r y pt i n g   [3 ,   4].     T h e r e   a r e   m a n y   a l go ri t hm s   t ha t   w e r e   de ve l o pe t o   pr o v i de   s e c ur i t y   a n t h e   n e e de pe r f o r m a n c e .   T h e s e   a l go r i t h m s   a r e   di f f e r e n t   i n   t h e i r   pe r f o r m a n c e ,   s pe e d,   b a c kdoo r s ,   a n s t r e n g t h .   T h e   D a t a   E n c r y pt i o n   S t a n d a r (D E S )   i s   o n e   o f   t h e s e   a l go ri t hm s   [5 ,   6].   T h e   D E S   w a s   t h e   f i rs t   a l go ri t hm   us e b y   N IS T .   T h e   de v e l o p m e nt   o f   t h e   D E S   c o ns i s t s   o f   t hr e e   di f f e r e nt - l e ng t a l go ri t hm s .   T he   do ub l e   D E S ,   t he   t ri p l e   D E S   w i t t w o   ke y s ,   a nd   f i na l l y   t he   t ri p l e   D E S   w i t t hre e   ke y s .   T he   c ra c ke rs   ha v e   de c r y pt e t he   D E S .   O ne   o f   t h e   a t t a c t e c hni q ue s   i s   t he   b ru t e   f o r c e   a t t a c t ha t   de pe nds   o n   t r y i ng   a s   m a n y   ke y s   a s   po s s i b l e   t o   a t t a c t h e   m e s s a ge .   T h e   A E S   r e p l a c e t he   D E S   a nd   t h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   20 ,   N o .   1 O c t o b e r   20 20  :     287   -   299   288   de v e l o p m e nt   o f   t he   A E S   w a s   a   p r o c e s s   t o   a v o i t h e   b a c k do o rs   o f   t h e   D E S ,   a f t e t he   D E S   w a s   a do p t e [7 ,   8] .   B l o w f i s h   e n c r y pt i o n   s y s t e m   i s   a no t he r   a l go ri t hm   u s e i ns t e a o f   D E S .   B l o w f i s h   d i v i de s   t h e   d a t a   i nt o   s e c t i o n s   o 64   b i t s   a nd   e nc r y pt s   t he m   s e p a ra t e l y .   I t   i s   u s e d   i a   s o f t w a r e   l i ke   e - c o m m e rc e   f o pa y m e nt s   s e c u ri t y   a nd  p a s s w o rds   t o   p r o t e c t   p a s s w o rds .   It   i s   a l s o   k n o w a s   o n e   o f   t h e   m o s t   f l e xi b l e   e n c r y p t i o a l go ri t hm s .   A n o t h e e n c r y pt i o n   a l go r i t hm   i s   t h e   I n t e rn a t i o n a l   D a t a   E n c r y pt i o n   A l go r i t hm   (ID E A w hi c h   us e s   64 - b i t   b l oc s i z e   a n 128 - b i t   ke y   s i z e .   It   a l s o   us e s   t h e   r o u nds   t e c h ni que s   a n a do pt s   a   m e t h o do l o g y   c a l l e d   ha l f   r o un ds   w h e r e   e a c h   r o u n us e s   s ub   ke y s   of   16  b i t s .   E a c h   o f   t h e   h a l f   r o u n ds   us e s   s ub   ke y s   [9].     T h e   f i r s t   s ub - ke y s   a r e   e xt r a c t e f r o m   t h e   e n c r y pt i o n   ke y   w h i l e   t h e   o t h e r   a r e   c r e a t e b a s e o n   r o t a t i o [10].   A s   m e nt i o n e b e fo r e ,   m a n y   r e s e a r c h e s   t r y   t o   pr ov i de   n e w e r   a l go ri t hm s   t ha t   a r e   m o r e   s e c ur e   t h a   t h e   t r a d i t i o na l   o n e s .   O n e   o f   t h e   m o s t   i m po r t a nt   pa ra m e t e r s   t ha t   i s   t a ke n   i n t o   a c c o un t   w h e n   de v e l o pi n a   n e w   e n c r y pt i o n   a l go r i t h m   i s   t h e   s pe e of   t h i s   n e w   e n c r y pt i o n   t e c h ni que   [11 ,   12 ] .   T h e r e fo r e ,   t h e   r e s e a r c h e r s   upda t e   t h e   r e c e n t   e n c r y pt i o n   t e c hn i q ue s   t o   m a ke   t h e   e n c r y pt i o n   pr o c e s s   of   t h e s e   t e c h ni que s   f a s t e t ha n   b e fo r e   w i t h o ut   c h a ngi ng  t h e   e n c r y pt i o n   p r o c e s s   i t s e l f .   T h e   m a i n   p r o b l e m   of   t h e   A E S   e n c r y pt i o n   s y s t e m   i s   t ha t   i t   c o n s um e s   l o t   of   t i m e   t o   pe r fo r m   b e c a us e   of   t h e   l a r ge   num b e r   o f   t h e   r o un ds   us e d,   w hi c m a ke s   t h e   s y s t e m   v ul n e ra b l e   [13].   T h e   m o r e   t i m e     t h e   e n c r y pt i o n   s y s t e m   c o n s um e s   t o   e n c r y pt   t h e   da t a ,   t h e   m o r e   c ha n c e s   t h e   h a c ke r s   ha v e   t o   b r e a t h e   s y s t e m .   In  t h e   n e xt   pa ra g ra p h s ,   s o m e   r e l a t e d   r e s e a r c h e s   t ha t   w e r e   pu b l i s h e i n   t h e   p a s t   f e w   y e a r s   w i l l   b e   m e n t i o n e d.   I n   [1 4] , T he   a u t h o rs   p r e s e nt e a i m p l e m e nt a t i o n   o f   t h e   A E S - Co u nt e ( A E S - C T R s y m m e t ri c   c r y pt o g ra p hi c   p ri m i t i v e   us i ng   t h e   CU D A   f ra m e w o r k .   T h e y   p re s e n t e qu a nt i t a t i v e   d a t a   a n d   c o m p a r e t he m   w i t t h e   c o m m o n   CP U - b a s e O pe nS S L   i m p l e m e nt a t i o n .   w hi c h   i s   a   s o f t w a re   l i b ra r y   f o r   a pp l i c a t i o ns   t ha t   c a n   s e c u r e   c o m m u ni c a t i o n s   o v e c o m pu t e ne t w o r k s .   I [1 5 ] ,   T h e   a u t h o r s   us e a   p r o c e s s o w i t m u l t i - c o r e s   t o   p re s e nt   t he   i m p l e m e nt a t i o n   o f   t h e   A E S   a l go ri t hm   w i t h   di f f e r e nt   d a t a   a nd  t a s p a ra l l e l i s m   g ra nu l a ri t y   a nd  t o   s h o w   t ha t   A E S   i m p l e m e nt a t i o o n   a   f i n e - g ra i n e d ,   m uc h - c o r e   s y s t e m   c a a c hi e v e   hi g pe r f o rm a nc e   t hro u g hp u t   pe u ni t   o f   c h i a r e a   a nd  e ne rgy   e ff i c i e n c y   c o m p a r e t o   o t he r   s o f t w a r e   pl a t f o rm s .   I [ 16 ] ,   T h e   a ut ho r s   p r o po s e a   m u l t i - p r o c e s s o a rra y s   t o   de s i g a   p a ra l l e l   A E S   e n c r y p t i o s y s t e m   a nd   a c hi e v e   hi g t hro ug hp u t   pe r f o rm a nc e .   T h i s   pa pe r   p r o v i de s   t w o   di ff e r e n t   t e c hn i que s   t o   s pe e up  t h e   p r o c e s s i n o f   t h e   A E S   e n c r y pt i o n     a n t o   i n c r e a s e   t h e   r e l i a b i l i t y ;   t h e   f i r s t   i s   t h e   pi pe l i n e e n c ry pt i o n   pr o c e s s i n g ,   a n t h e   s e c o n i s   t h e   pa ra l l e l   e n c r y pt i o n   p r o c e s s i n g.   T h e s e   t w o   t e c h ni que s   a r e   di f f e r e n t   i n   t h e   p r o c e s s i n t i m e   a nd  t h e   us e h a r dw a r e   r e s o ur c e s .   A s   t h e   s pe e i n c r e a s e s ,   m o r e   r e s o ur c e s   a r e   c o n s um e d.   T h e   de s i g n,   t h e   a na l y s i s ,   a n d   t h e   i m p l e m e nt a t i o n   o f   t h e s e   t w o   t e c hn i q ue s   a r e   d i s c us s e i n   t h i s   pa pe r.   T he   p a p e i s   o rg a ni z e d   a s   f o l l o w s :   S e c t i o 2   d e s c ri b e s   t he   A E S   e nc ry p t i o s y s t e m   a nd   i t s   s t e p s .   S e c t i o 3   s ho w s   t he   m e t ho d o l o gy   t ha t   w e   u s e   t o   r e a c t he   g o a l   o f   o u re s e a rc w hi c i s   s p e e d i ng   u p   t he   e nc ry p t i o p ro c e s s .   S e c t i o 4   d i s c u s s e s   t he   ha rd w a re   i m p l e m e nt a t i o o f   t he   no rm a l   p ro c e s s   a nd   t he   p i p e l i ne d   p ro c e s s ;   t he n,     t he   s i m u l a t i o n   a nd   re s u l t s   a re   p re s e nt e d   i S e c t i o 5 .   F i n a l l y ,   t he   c o nc l u s i o i s   d i s c u s s e d   i S e c t i o 6 .       2.   A ES   EN C R Y P TI O N   T h e   A E S   t e c hn i que   c o n s i s t s   o f   m a i n   r o u n ds   i a ddi t i o t o   t h e   i n i t i a l   a n f i na l   r o u n d s .   T h e   m a i r o u n ds   a r e   s i m i l a r   i n   t h e   p r o c e s s i n b ut   d i f fe r e nt   i n   t h e   us e c h i ppe ke y   t ha t   i s   r e n e w e e v e r y   r o un d .     F i gu r e   1   s h o w s   t h e   A E S   E n c r y pt i o n   [1 ,   17 ,   1 8 ].           F i gu r e   1 .   T h e   A E S   e n c r y pt i o n   s y s t e m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       D e s i gn   and   i m p l e m e nt a t i on   o f   p i p e l i ne d   and   par a l l e l   A E e n c r y pt i on   s y s t e m s   us i ng  F P G A   ( Moham e d   Nab i l )   289   Bo t h   t h e   s t a t e   a n d   t h e   ke y   c o n s i s t   o f   128  b i t s .   E a c h   r o u nd  c o n s i s t s   o f   s e ve r a l   s t e ps   t o   c o m pl e t e     t h e   e n c r y pt i o n   o pe r a t i o n .   I n   t h e   de c r y pt i o n ;   t h e   i n v e r s e   s t e ps   a r e   pe r f o r m e t o   ob t a i n   t h e   o ri gi na l     s t a t e   [3 ,   1 9 ].   T h e   f i r s t   r o u n i s   t h e   i n i t i a l   r o u n w h e r e   t h e   X O R   o pe r a t i o i s   pe r f o r m e o t h e   s t a t e     a n t h e   ke y   t o   pr o duc e   t h e   o ut put   o f   t hi s   r o und.   E a c r o und   o f   t h e   n e xt   r o u n ds   c o n s i s t s   o f   s t e ps   t ha t   a r e   r e pe a t e d   f o r   e v e r y   r o un d   [ 20 ,   21 ] ,   a s   s h o w n   i t h e   f o l l ow i n s ub s e c t i o n s     2. 1 .   Th e   s u b b yte s   s te p   T h e   f i r s t   s t e i s   t h e   S ub By t e s   s t e w h e r e   e v e r y   e l e m e n t   o f   t h e   s t a t e   i s   c o n v e r t e t o   a n o t h e r   v a l ue   b a s e o n   t h e   m a ppi ng  b e t w e e n   t h e   v a l ue   of   t h e   e l e m e n t   a n t h e   S - B o x.   T h e   f i r s t   f o ur   b i t s   of   t h e   e l e m e n t   r e p r e s e n t   t h e   n um b e r   o f   t h e   r o w   of   t h e   S - B o w h i l e   t h e   s e c on f o ur   b i t s   r e p r e s e n t   t h e   n um b e r   o f   t h e   c o l um n   of   t h e   S - B o x.   T h e   v a l ue   o b t a i n e f r o m   t h e   S - B o due   t o   t h e   n u m b e r   o f   t h e   r o w   a n d   t h e   n u m b e r   o f   t h e   c o l um n   w i l l   r e pl a c e   t h e   p r e v i o us   v a l ue   o f   t h e   e l e m e n t   [ 22 ] .   T h e   S ub By t e s   s t e i s   s h o w n   i F i g u r e   2 .           F i gu r e   2 .   T h e   S u b by t e s   s t e p       2. 2 .   Th e   s h i ft r o w s   s te p   T h e   e l e m e n t s   o e v e r y   r o w   w i l l   b e   l e f t   s h i f t e e xc e pt   t h e   f i r s t   r o w .   T h e   n u m b e r   o s h i f t i n de pe n ds   o n   t h e   n u m b e r   o f   t h e   r o w   w h e r e   t h e   f i r s t   r o w   w i l l   n o t   b e   s hi f t e a s   w e   m e n t i o n e d ;   t h e   s e c o n r o w   w i l l   be   s h i f t e o n e   t i m e ,   t h e   t hi r d   r o w   w i l l   b e   s h i f t e t w i c e   a n t he   f i n a l   r o w   w i l l   b e   s h i f t e t hr e e   t i m e s   [ 23,   24 ] .   F i gu r e   3   s h o w s   t h e   S h i f t R o ws   s t e p .           F i gu r e   3 .   T h e   s h i f t r o w s       2. 3 .   Th e   m i x c o l u m n s   s t ep   In   t h i s   s t e p,   t h e   f o ur   n u m b e r s   of   o n e   c o l um n   a r e   m o dul o   m ul t i p l i e i n   R i j nde a l ' s   G a l o i s   F i e l b y     a   g i v e n   m a t r i x   a s   s h o w n   i F i gu r e   4   [2 5,   26 ].           F i gu r e   4 .   T h e   m i xc o l um n s   s t e p   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   20 ,   N o .   1 O c t o b e r   20 20  :     287   -   299   290   2. 4 .   Th e   ad d r o u n d k e s t e p   T h e   f i n a l   s t e o f   e a c h   r o u n o f   t h e   m a i n   ni n e   r o u n ds   i s   t he   A ddRo un dK e y   s t e w h e r e   t h e   X O o pe r a t i o n   i s   pe r f o r m e o t h e   i n pu t   s t a t e   a n t h e   c h i ppe r   k e y   t o   pr o duc e   t h e   o ut pu t   o f   e a c h   r o u n [ 2 7,   28 ] .   F i gu r e   5   s h o w s   t h e   A ddR o un dK e y   s t e p .           F i gu r e   5 .   T h e   A dd r o u n dke s t e p       In  t h e   f i na l   r o und,   t h e   p r e v i o us   s t e ps   w i l l   b e   pe r f o r m e e xc e pt   t h e   M i x C o l um n s   s t e [2 9 ].   -   K e y   S c h e dul e   T h e   ke y   w i l l   b e   upda t e fo r   e a c h   r o u n d .   F i r s t ,   t h e   l a s t   c o l um n   o f   t h e   r e c e n t   ke y   w i l l   b e   d ow n   s h i f t e fo r   o n e   t i m e   t h e n   t h e   S ub By t e s   o pe r a t i o n   w i l l   b e   pe r f o r m e o n   t h i s   s hi f t e c o l um t h e n   i t   w i l l   b e   X O R e d   w i t h   t h e   f i r s t   c o l um n ;   t h e n ,   t h e   p r o duc t   w i l l   b e   X O Re w i t h   c e r t a i n   c o l um o f   t h e   R c o n   a rr a y   (t h e   n um b e   of   t h e   c o l um n   o f   t h e   R c o n   a rra y   i s   t h e   s a m e   n u m b e r   o f   t h e   r o un d )   [30 ,   31] .   T h e   o ut put   o f   t h e   p r e v i o us   o pe r a t i o n s   w i l l   b e   t h e   f i r s t   c o l um o f   t h e   n e w   ke y   a s   s h o w n   i F i gu r e   6 .   T h e   s e c o n d,   t h i rd,   a n f o ur t h   c o l um n s   w i l l   b e   ob t a i n e by   pe r f o r m i ng  X O R   o pe r a t i o o n   c o l um n u m b e r   x   o f   t h e   r e c e n t   ke y   a n t h e   c o l um n   n u m b e r   x - o f   t he   n e w   ke y   t o   o b t a i n   t h e   c o l um n   num b e o f   t h e   n e w   ke y .     F i gu r e   7   s h o w s   t h e   X O o pe r a t i o n   t o   ob t a i n   t h e   s e c o nd  c o l um n   o t h e   n e w   ke y   [ 32,   33 ].     T h e   t ra di t i o n a l   pr o c e s s i n o t h e   e n c r y pt i o n   i s   b a s e o n   t h e   i d e a   of   f i n i s h i n t h e   e n c r y pt i o n   of   t h e   r e c e n t   128  bi t s   b e fo r e   s t a rt i ng  t h e   e n c r y pt i o n   o f   t h e   n e w   128  b i t s   [34] .   T hi s   c o n c e pt   i s   s h o w n   i F i gu r e   8 .   T h i s   n o rm a l   p r o c e s s i n us e s   a   l a r ge   n u m b e r   o f   c y c l e s   i n   t h e   e n c r y pt i o n   o f   128  b i t s   s t a t e   w h i c h   l e a d s   t o   a   l o n t i m e   t o   e n c r y pt   a l l   t h e   r e qui r e m e s s a ge   w h i c i n   t u rn   m a ke s   t h e   s y s t e m   v ul n e r a b l e   a n a l s o   de c r e a s e s   t h e   r e l i a b i l i t y ,   i n   a d di t i o n   t o   t h e   l a r ge   m e m o r y   t ha t   w i l l   b e   us e t o   s t o r e   t h e   i n p ut   da t a   t i l l     t h e   e n c r y pt i o n   o f   t h e   p r e v i o us   128  b i t s   f i n i s h e s   [ 13] .           F i gu r e   6 .   T h e   e xpa n s i o o f   t h e   ke y   fo r   t h e   f i r s t   c o l um n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       D e s i gn   and   i m p l e m e nt a t i on   o f   p i p e l i ne d   and   par a l l e l   A E e n c r y pt i on   s y s t e m s   us i ng  F P G A   ( Moham e d   Nab i l )   291       F i gu r e   7 .   T h e   X O R   o pe r a t i o t o   o b t a i n   t h e   s e c o n c o l um o t h e   n e w   ke y           F i gu r e   8 .   T h e   t ra d i t i o n a l   A E S   p r o c e s s i n g       3.   TH E   P R O P O S ED   P I P ELI N ED   A N D   P A R A LLE A L G O R I TH M S   T h e   pi pe l i n e a l go r i t hm   i s   b a s e o t h e   i de a   o f   us i n g   m o s t   of   t h e   r e s o ur c e s   a s   m uc h   a s   po s s i b l e   b y   s t a r t i n a   n e w   e n c r y pt i o n   pr o c e s s   b e fo r e   t h e   p r e v i o us   o n e   i s   f i n i s h e d;   t hi s   i de a   w i l l   r e duc e   t h e   pr o c e s s i n t i m e   s pe c i a l l y   w h e n   t h e r e   is   a   l a r ge   num b e r   o f   t h e   e n c r y pt i o n   s t a t e s .   T h e   t i m e   r e duc t i o n   w i l l   b e   s i gn i f i c a nt .   T h e   pi pe l i n e p r o c e s s i n g   i s   s h o w n   i F i gu r e   9 .   A s   m e n t i o n e i n   t hi s   pa pe r,   A E S   c o n s i s t s   o f   9   m a i n   r o u n ds   i n   a ddi t i o n   t o   t h e   i ni t i a l   a n f i n a l   r o un ds   [35] .   S o ,   t h e   t o t a l   n u m b e r   o r o un ds   i s   11  r o unds .   I n   t h e   e n c ry pt i o n   pr o c e s s   of  t h e   f i r s t   s t a t e ,   t h e   i n i t i a l   r o u n d   (R in i s   b e i n p r o c e e i n   t h e   f i r s t   c y c l e .   In   t h e   n e xt   c y c l e ,   t h e   p r o c e s s i n o f   t h e   s e c o n r o u n (R 0 w i l l   b e   pe r f o r m e d ,   a n a t   t h e   s a m e   t i m e   t h e   b e gi nn i ng  o f   t h e   e n c r y pt i o n   p r o c e s s   f o r   t h e   s e c o n s t a t e   w i l l   s t a rt ,   a n d   s o n .   S o   i n   c y c l e   of   n um b e r   12,   t h e   o ut put   of   t h e   f i r s t   e n c r y pt i o n   s t a t e   w i l l   be   f i n i s h e a n a t   t h e   s a m e   c y c l e   t h e r e   a r e   s o m e   pr o c e s s e s   fo r   12  di f fe r e nt   s t a t e s   t ha t   a r e   b e i n pe r f o r m e d.   T h e r e   i s   a n   o ut pu t   i n   e a c h   c y c l e .     S o   i t   i s   n o t   n e c e s s a r y   t o   w a i t   f o r   t h e   f i r s t   s t a t e   t o   b e   f i n i s h e t o   s t a rt   t h e   s e c o n s t a t e ,   b ut   t h e   i n p ut   w i l l   b e   c o n t i n uo us   f o r   e a c c y c l e   [ 36 a s   s h o w n   i F i gu r e   9   w h e r e   R   r e f e r s   t o   t h e   r o u n d   n u m b e r .   E a c h   r o u n c o n s i s t s   o f   fo ur   o pe r a t i o n s   t o   e n c r y pt   a n y   s t a t e   [ 13].   T h e   o ut put   o f   e a c h   r o un i s   di v i de in t o   t w o   pa r t s :   f i r s t ,   t h e   e n c r y pt e s t a t e   of   t h e   c e r t a i n   r o u n d ;   s e c o n d,   t h e   c a l c ul a t e ke y   t h a t   w i l l   b e   us e i n   t h e   n e xt   r o un d .   T h e s e   t w o   pa r t s   a r e   t h e   o ut put   o t h e   r e c e n t   r o u n a n t h e   i n p ut   o f   t h e   n e xt   r o u n d .   B a s e o n   t h i s   c o n c e pt ,   t h e   o ut put   o f   e a c h   r o u n w i l l   b e   t ra n s m i t t e t o   t h e   n e xt   r o und  [34] .   T h e   m a i n   di f f e r e n c e   b e t w e e n   t h e   c l a s s i c a l   A E S   a n t h e   pi pe l i n e A E S   i s   t h e   b e gi nn i ng  o a   n e w   e n c r y pt i o n   s t a t e   [37].     In  t h e   t r a d i t i o n a l   p r o c e s s ,   t h e   s t a rt   o f   a   n e w   e n c r y pt i o n   p r o c e s s   w i l l   b e gi a f t e a l l   t h e   r o u n ds   o f   t h e   p r e v i o us   e n c r y pt i o n   e n d ,   s o   e a c h   c y c l e   h a s   o nl y   o n e   r o u n d ;   b ut   i t h e   pi pe l i n e A E S   e v e r y   c y c l e   i n   a   n e w   s t a t e   e n c r y pt i o n   p r o c e s s   w i l l   s t a rt .   T h i s   w i l l   b e   e ffe c t i v e   i n   t h e   t i m e   c o n s um p t i o n   b ut   w i l l   c o n s u m e   m o r e   r e s o ur c e s   b e c a us e   t h e   o pe ra t i o n   p r o c e s s i n t h a t   w i l l   b e   pe r f o r m e i o n e   c y c l e   w i l l   i n c r e a s e   [1 ,   38].   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   20 ,   N o .   1 O c t o b e r   20 20  :     287   -   299   292       F i gu r e   9 .   T h e   p i pe l i n e d   A E S   p r o c e s s i n g       By   us i n t h e   p i pe l i n e a l go r i t h m ,   w e   w i l l   b e   a b l e   t o   r e duc e   t h e   n um b e r   o f   t h e   t o t a l   c y c l e s   t h a t   w i l l   b e   us e t o   e n c r y pt   t h e   m e s s a ge .   T hi s   i de a   m a ke s   t h e   s y s t e m   f a s t e r   a n c a n   b e   us e i n   t h e   c o m m u ni c a t i o s y s t e m   [26,   39] .   T h e   n u m b e r   o f   c y c l e s   t h a t   t h e   s y s t e m   us e s   i t h e   c a s e   o f   t h e   pi pe l i n e d   p r o c e s s i n g   c a b e   a l s r e duc e by   us i n t h e   pa ra l l e l   p r o c e s s i n t e c hni que   w h i c h   i s   b a s e o n   t h e   c o n c e pt   o f   m a ki n g   t h e   p r o c e s s o r   w o r a s   t w o   o r   m o r e   p r o c e s s o r s   t o   a c h i e v e   t h e   e n c r y pt i o n   t a s a s   f a s t   a s   po s s i b l e   [37,   40]   T he   c o d e   o f   t he   p ro j e c t   i s   d i v i d e d   i n t o   s u b - b l o c k s   t o   m a k e   t he   t r a c i ng   o f   t he   c o d e   a n d   t he   d e b u g g i n g   e a s i e r .   Th e s e   s u b - b l o c k s   a re   d i v i d e d   b a s e d   o t he   ro u nd s   a nd   t he   o p e r a t i o ns   i e a c ro u nd .   T h e re f o re ,   t he re   w i l l   b e   s u b - b l o c f o e v e ry   o p e ra t i o n ;   s o   i f   w e   t r a c e   t he   c o d e   w i t h   t h e   o u t p u t   o f   e a c h   s u b - b l o c k ,   w e   c a n   f i n d   t he   e r ro r   a s   f a s t   a s   p o s s i b l e .   A s   s h o w n   i n   F i g u r e   10 t h e r e   a r e   11   p r o c e s s e s   w o r k i n g   i n   pa ra l l e l   w a y .   r e pr e s e nt s   t h e   r o u n d   n u m b e r   i n   t h e   e n c r y pt i o n   pr o c e s s   [33].   T h e   pa ra l l e l   p r o c e s s i ng  do e s   n o t   m e a n   t h e   r e c e n t   r o und  t ha t   i s   n o t   b a s e o n   t h e   p r e v i o us   r o un d,   b ut   i t   m e a n s   t h a t   t h e   i n s t r u c t i o n   w i l l   b e   s e que n t i a l l y   i m pl e m e nt e b ut   i   t h e   s a m e   c y c l e   w h i c h   c o n s u m e s   a   l a rge   n u m b e r   o f   r e s o ur c e s .           F i gu r e   10 .   T h e   p a r a l l e l   A E S   p r o c e s s i n g       A s   s ho w i F i g u re s   9 ,   1 0   a nd   1 1 ,   t he   t o t a l   nu m b e o f   c y c l e s   w i l l   b e   re d u c e d   i t he   c a s e     o f   t he   p i p e l i ne d   a nd   t he   p a r a l l e l   p ro c e s s i ng .   T hi s   i m p ro v e m e nt   m a k e s   t he   s y s t e m   f a s t   a nd   re l i a b l e ;   b u t ,   t hi s   hi g h   s p e e d   w i l l   m a k e   t he   s y s t e m   u s e   m o re   re s o u rc e s   a nd   m o re   l o g i c   g a t e s   f ro m   t he   u s e d   a v a i l a b l e   k i t   t ha w ha t   t he   t r a d i t i o n a l   p ro c e s s i ng   w i l l   u s e ,   t h ro u g h   t he   c o nc e p t   o f   f i rs t   i n   f i rs t   o u t   [ 4 0 ,   4 1 ] .   I f   t he   u s e d   p ro c e s s o h a s   l o w   re s o u rc e s ,   t he   t r a d i t i o n a l   p ro c e s s i ng   w i l l   b e   u s e d   b e c a u s e   i e a c c y c l e   t he re   i s   s m a l l   nu m b e o f   o p e ra t i o ns   t ha t   w i l l   b e   pe rf o rm e d ,   s o   t he   u s e d   t i m e   w i l l   b e   hi g h .   H o w e v e r,   i f   t he re   i s   a no t he p ro c e s s o t ha t   ha s   m o re   ha rd w a re   re s o u rc e s ,   t he   p i p e l i ne d   p ro c e s s i ng   w i l l   b e   u s e d .   t hi s   w i l l   m a k e   m o re   o pe ra t i o ns   t o   b e   pe rf o rm e d   i t he   s a m e   c y c l e ,   a nd   i t h i s   c a s e   t he   c o ns u m e d   t i m e   w i l l   b e   s m a l l e t h a t h a t   o f   t he   t ra d i t i o na l   p ro c e s s i ng ;   b u t   t he   ha rd w a re   re s o u rc e s   w i l l   i nc re a s e   [ 40 ] .   T he re f o re ,   i t he   p a ra l l e l   p ro c e s s i ng ,   a l l   t he   e nc ry p t i o ro u nd s   w i l l   b e   pe rf o rm e d   i n   o ne   c y c l e ,   a nd   t hi s   l e a d s   t o   m o re   h a rd w a re   c o ns u m p t i o t ha i t he   t ra d i t i o n a l   a n d   t he   p i p e l i ne d   p ro c e s s i ng ,   b u t   t he   c o ns u m e d   t i m e   w i l l   b e   s m a l l e t ha n   t ha t   o f   t he   t ra d i t i o na l   a nd   t he   p i p e l i ne d   p ro c e s s i ng I t h i s   p a p e r ,   t he   V H S I C - H a rd w a re   D e s c ri p t i o L a ng u a g e   ( VH D L )   c o d e   w a s   o p t i m i z e d   t o   re d uc e   t he   c o ns u m e d   re s o u rc e s   a s   m u c a s   p o s s i b l e ,   s o   t he   S p a rt a n - 3 A / 3 A N   F P G A   S t a rt e K i t   i s   u s e d   f o a l l   t he   a l g o r i t hm s ;   b u t   a s   s e e n,   t he   c o ns u m e re s o u rc e s   i t he   p a ra l l e l   p ro c e s s i ng   i s   m o re   t ha n   t ho s e   o f   t he   p i p e l i ne d   a nd   t he   t ra d i t i o na l   p ro c e s s i ng   [ 30,   42 ].       4.   H A R D WA R I M P LEM EN TA TI O N   In   t h e   p r e s e n t   r e s e a r c h,   F i e l P r o g r a m m a b l e   G a t e   A rra y   ( FPGA i m pl e m e n t a t i o n   a n r e a l i z a t i o   of   t h e   t hr e e   m e t h o ds   of   t h e   A E S   w i l l   b e   pr e s e n t e d   a s   w e l l .   T h e   X i l i n S pa r t a n - 3A / 3A N   F P G A   S t a rt e r   K i t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       D e s i gn   and   i m p l e m e nt a t i on   o f   p i p e l i ne d   and   par a l l e l   A E e n c r y pt i on   s y s t e m s   us i ng  F P G A   ( Moham e d   Nab i l )   293   i s   us e d.   T h e s e   m e t h o ds   a r e   de s i g n e by   w r i t i n a   c o de   us i ng  t h e   X i l i nx  pa c k a ge   IS E   1 4. 7   p r o gra m m e   a n s i m u l a t e by   us i n t h e   IS i m   s i m u l a t o r   p r o g r a m .   F i g u r e   11   s h o w s   t h e   s c h e m a t i c   d i a g ra m   o f   t h e   t ra d i t i o n a l   pr o c e s s i n o f   t h e   A E S   e n c r y pt i o n   s y s t e m .           F i gu r e   11 .   T h e   s c h e m a t i c   d i a g ra m   o f   t h e   t ra di t i o n a l   A E S   e n c r y pt i o n   s y s t e m       F i gu r e   15   s h o w s   t h e   IS i m   s i m ul a t i o n   o f   t h e   t ra di t i o na l   m e t h o d;   a s   s h o w n ,   t h e   n o r m a l   i m p l e m e nt a t i o n   w i l l   us e   26  c y c l e s   t o   b e   a b l e   t o   e n c r y pt   a n y   128 - b i t   s t a t e .   T hi s   n u m b e r   o f   c y c l e s   i s   h uge   a n m a ke s   th e   s y s t e m   v e r y   s l ow   w h i c h   c a n   m a ke   t h e   s y s t e m   vul n e ra b l e .   If   w e   a s s um e t h e   s t a t e   t ha t   w i l l   b e   e n c r y pt e a n t h e   gi v e n   ke y   a s   t h e   m a t r i c e s   b e l ow ,   h e n c e ,   t h e   e n c r y pt e da t a   w i l l   b e   a s   t h e   e n c r y pt e o ut put   m a t r i s h o w n   by   s i m ul a t i n g   t h e   i m pl e m e nt a t i o n .   T h e   s i m ul a t i o n   o ut p ut   w i l l   b e   as   s a m e   a s   t h e   e xpe c t e d   r e s ul t s .   W e   c a a na l y z e   t h e   pe r f o r m a n c e   a n d   t h e   s pe e o f   o u i m pl e m e nt a t i o n.     S t a t e   =   [                                                                               ]           [                                                                                ]   E n c r y pt e o ut put   [                                                                            ]     A s   s h o w n   i n   F i gu r e   11 ,   t h e r e   i s   a   m e m o r y   t s t o r e   t h e   i n p ut   da t a   du ri n t h e   p r o c e s s i n s t a ge s   t a v o i t h e   l o s s   o f   a n y   b i t s ;   t h e   s c h e m a t i c   i m pl e m e n t a t i o n   o f   t h e   p i pe l i n e d   A E S   i s   s h o w n   i n   F i gu r e   12 .           F i gu r e   12 .   T h e   s c h e m a t i c   d i a g ra m   o f   t h e   pi pe l i n e A E S   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   20 ,   N o .   1 O c t o b e r   20 20  :     287   -   299   2 94   T h e   IS i m   s i m ul a t i o n   o f   t h e   pi pe l i n e i m p l e m e nt a t i o i s   s h o w n   i F i g u r e   16 .   T h e   pi pe l i n e pr o c e s s i n w i l l   r e duc e   t h e   26  c y c l e s   t h a t   t h e   e n c r y pt i o n   p ro c e s s   us e s   i n   t h e   n o rm a l   i m p l e m e nt a t i o n   t o   12  c y c l e s ;   h o w e v e r   t h e   12  c y c l e s   c a n   b e   r e duc e a ga i n   by   us i ng  t h e   pa ra l l e l   p r o c e s s i n t o   b e c o m e   j us t   c y c l e s .   T h e   s c h e m a t i c   di a g r a m   o f   t h e   pa ra l l e l   p r o c e s s i n i s   s h o w n   i n   F i gu r e   13 ;   t h e   pa ra l l e l   m e t h o ds   w i l l   s pe e up   t h e   pi pe l i n e p r o c e s s i n g .           F i gu r e   13 .   T h e   s c h e m a t i c   d i a g ra m   o f   t h e   p a r a l l e l   p r o c e s s i n of   A E S       T h e   IS i m   s i m ul a t i o n   a n t h e   r e s ul t s   o f   t h e   pa r a l l e l   p r o c e s s i n a r e   s h o w n   i n   F i gu r e   17 .   T h e   p r o po s e d   a l go ri t hm s   n e e d   m o r e   r e s o ur c e s   t o   s pe e up  t h e   e n c r y pt i o n   pr o c e s s .   T hi s   i s   s h o w n   i n   t h e   de v i c e   ut i l i z a t i o s um m a r y   fo r   t h e   n o r m a l ,   t h e   p i pe l i n e d   a nd  t h e   pa ra l l e l   p r o c e s s e s ,   a s   s h o w n   i T a b l e s   2, 3   a nd  4.   T h e   pe r f o rm a n c e   o f   t he s e   p r o c e s s e s   a r e   s h o w n   us i n g   t h e   Chi pS c o pe   (X i l i n x   C hi pS c o pe   t oo l   us e s     t h e   l o gi c   a na l y z e r   a nd  v i rt ua l   I/ O   d i r e c t l y   t h a t   a l l o w s   t h e   v i e w   of   t h e   i nt e rna l   s i g na l s t o   c o n f i rm   t h e   de s i g a f t e r   b e i n do w n l o a de o n   t h e   us e F P G A   ki t   t o   t r a c t h e   p r o c e s s e s   be h a v i o r   o t h e   t hr e e   a l go r i t h m s .     T h e   C hi pS c o pe   s i gna l s   a r e   s h o w n   i F i gu r e   18 F i gu r e   19   a nd  F i gu r e   20 .       5.   S I M U LA TI O N   A N D   R ES U LTS   F i gu r e   14   s h o w s   t h e   s i m ul a t i o n   o f   t h e   us e d   c y c l e s   a ga i n s t   t h e   da t a   s i z e .   It   a l s o   s h o w s   t h e   n u m b e r     of   c y c l e c o n s um e t o   e n c r y pt   di f fe r e n t   da t a   s i z e s .   T h e   r e l i n e   r e p r e s e n t s   t h e   t ra di t i o na l   A E S   a l go ri t hm ;     t h e   b l a c l i n e   r e p r e s e nt s   t h e   pi pe l i n e a l go r i t hm ;   a n t h e   g re e n   l i n e   r e p r e s e n t s   t h e   pa ra l l e l   a l go ri t hm .   A s   t h e   da t a   s i z e   i n c r e a s e s ,   t h e   num b e r   o f   c o n s um e c y c l e s   w i l l   a l s o   i n c r e a s e   t o   pe r f o r m   t h e   e n c r y p t i o n .   F i gu r e   14   w i l l   c l e a r l y   s h o w   t h e   h i g e f fe c t   of   us i n g   t h e   pi pe l i n e a n t h e   p a r a l l e l   a l go r i t hm s   o n   t h e   n u m b e r s   o f   t h e   us e c y c l e s   e s pe c i a l l y   w i t h   b i g   d a t a   s i z e s .   A s   s h o w n   i n   F i gu r e   10 ,   t h e   pa ra l l e l   p r o c e s s i n i s   t h e   f a s t e s t   m e t h o t ha t   c a n   b e   us e fo r   e n c r y pt i o n .   T h e   pi pe l i n e m e t h o d   is   s l o w e r   t ha n   t h e   pa r a l l e l   o n e ,   b ut   i t   i s   s t i l l   f a s t e r   t ha n     t h e   t ra di t i o n a l   p r o c e s s i n g.   T h i s   a pp r o v e s   t h e   go a l   o t h i s   pa pe r   o i n c r e a s i n g   t h e   s pe e of   t h e   e n c r y pt i o n   b y   us i n n e w   t e c hni que s   f o r   t h e   p r o c e s s i n g.           F i gu r e   14 .   T h e   n u m b e r s   o f   c y c l e s   fo r   t h e   t hr e e   m e t h o ds       T a b l e   c o m pa r e s   b e t w e e n   t h e   r e s ul t   o f   t hi s   pa pe r   a n d   t h e   r e s ul t   o f   t h e   l a s t   r e l a t e w o r f o r   B i L i a n B e v a n   M .   B a a s   t ha t   w a s   pub l i s h e u n de r   t h e   t i t l e   P a ra l l e l   A E S   E n c r y p t i o n   E n g i n e s   f o r   M a n y - C o r e   P r o c e s s o r   A rra y s   [15] .   In   t h i s   m e n t i o n e pa pe r,   t h e   a u t h o rs   us e d   a   s y n c h r o n o us   a rra y   of   s i m pl e   p r o c e s s o r s   (m ul t i - c o r e   p r o c e s s o r   a rr a y s t o   r e a c h   t h e   pa ra l l e l i s m .   T h e   a ut h o r s   c o m pa r e t h e i r   w o r w i t h   o t h e r   s o f t w a r e   i m p l e m e nt a t i o n s   o n   pr o g r a m m a b l e   pr o c e s s o r s   a n d i n o t   c o m pa r e   w i t h   i m pl e m e n t a t i o n s   t ha t   c o n t a i n   o r   a r e   c o m pos e of   s pe c i a l i z e ha r dw a r e   (e . g . ,   A S ICs ,   A S IP s ,   F P G A s ,   e t c . t h a t   w i l l   b e   i n c l ude i n   o ur   p a pe r .   T a b l e   1   a l s o   s h o w s   t h e   o pe ra t i o n   c y c l e s   fo r   t h e   f o ur   m o de s   c o m p a r e to   t h e   r e s ul t   o f   o ur   pa pe r.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       D e s i gn   and   i m p l e m e nt a t i on   o f   p i p e l i ne d   and   par a l l e l   A E e n c r y pt i on   s y s t e m s   us i ng  F P G A   ( Moham e d   Nab i l )   295   T a b l e 1 .   Co m pa ri s o n   o f   t h e   A E S   t hr o ug h p ut o n   d i f f e r e n t   p l a t f o r m s   P l a t fo r m   T h ro u g h p u t   (C y c l e s / B y t e )   P e n t i u m   4   5 6 1   16   A t h l o n   6 4   3 5 0 0   1 0 . 6   Co r e 2   D u e   E 6 4 0 0   9 . 1 9   Co r e 2   Q u a d   Q 6 6 0 0   9 . 3 2   Co r e 2   Q u a d   Q 9 5 5 0   7 . 5 9   Co r e   i 7   9 2 0   6 . 9 2   AsAp   9 . 5   T h i s   w o rk   (p i p e l i n e d   p ro c e s s i n g )   0 . 7 5   T h i s   w o rk   (p a ra l l e l   p ro c e s s i n g )   0 . 1 2 5       A s   s h o w n   i n   T a b l e   1,   t h e   r e s ul t   o f   t h i s   p a pe r   c l e a r l y   s h o w s   t h e   hi g h   e f fe c t   of   us i n g   t h e   p i pe l i n e   a n t h e   pa ra l l e l   a l go r i t hm s   o n   t h e   n u m b e r s   of   t h e   us e c y c l e s .   T h e   t hr o ug h pu t   o t h e   pi pe l i n e d   a l go ri t hm   i s   0 . 75   Cy c l e s / By t e   a n i n   t h e   pa ra l l e l   a l go r i t h m   i t   i s   0 . 125  C y c l e s / By t e ;   o n   t h e   o t h e r   h a nd ,   t h e   t hr o ug h pu t     of   t h e   A s A P   pr o c e s s o r   (t h e   pr o c e s s o r   t h a t   t h e   a ut h o r s   us e i n   t h e   c o m pa r e r e l a t e w o r k)  i s   9. 5   Cy c l e s / By t e ,   w h i c s h o w s   a   hi g h   e f f e c t   a n pe r f o r m a n c e   e nha n c e m e nt   e s pe c i a l l y   by   us i n F P G A   F i gu r e   15   s h o w s     t h e   IS i m   s i m u l a t i o n   o f   t h e   t ra di t i o na l   p r o c e s s i n g   a n t h e   out put   w i l l   a ppe a a f t e r   2 c y c l e s   f r o m   t h e   i n p ut     of   t h e   f i r s t   b i t s .   T hi s   i s   a   h uge   n u m b e r   o f   c y c l e s   w h i c h   w i l l   l e a t o   s y s t e m   de l a y   a nd  w i l l   p r e s e nt   a   c ha n c e   f o r   t h e   h a c ke r   t o   a t t a c k ,   m a k i n g   t h e   s y s t e m   n o t   r e l i a b l e .             F i gu r e   15 .   T h e   IS i m   s i m ul a t i o n   o f   t h e   n o rm a l   A E S   p r o c e s s i ng       F i gu r e   16   s h o w s   t h e   IS i m   s i m ul a t i o n   o f   t h e   pi pe l i n e p r o c e s s i ng ;   a s   s h o w n ,   t h e   o ut pu t   a ppe a r s   a f t e 12  c y c l e s .   T h i s   t e c hni que   w i l l   c o n s um e   m o r e   h a rdw a r e   r e s o ur c e s   f r o m   t h e   us e ki t   b ut   i t   w i l l   i m p r o v e   t h e   pe r f o r m a n c e   a nd  m a ke   t h e   s y s t e m   f a s t e r   t h a i n   t h e   p r e v i o u s   i m p l e m e nt a t i o n.   I t   w i l l   a l s o   r e duc e   t h e   c h a n c e s   of   t h e   h a c ke r   t o   a t t a c t h e   s y s t e m .           F i gu r e   16 .   T h e   IS i m   s i m ul a t i o n   o f   t h e   p i p e l i n e d   A E S   p r o c e s s i n g       By   l o gi c ,   us i n p a r a l l e l   p r o c e s s i n i s   t h e   f a s t e s t   pr o c e s s i n m e t h o w e   c a n   us e .   F i gu r e   17   s h o w s   t h e   IS i m   s i m ul a t i o n   f o r   t h e   pa ra l l e l   p r o c e s s i n g .   F i gu r e   17   s h o w s   a l s o   t h a t   t h e   pa r a l l e l   m e t h o w i l l   us e   o n l y   2   c y c l e s ,   w h i c h   w i l l   m a ke   t h e   s y s t e m   f a s t e r   t h a n   i n   t h e   t w o   pr e v i o us   m e t h o ds ,   w h i c h   i n   t u rn   w i l l   a l s o   m a ke   t h e   s y s t e m   m o r e   s e c ur e   a n r e l i a b l e .           F i gu r e   17 .   T h e   IS i m   s i m ul a t i o n   o f   t h e   p a r a l l e l   A E S   p r o c e s s i n g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   20 ,   N o .   1 O c t o b e r   20 20  :     287   -   299   296   T o   m a ke   s ur e   t h e   F P G A   de s i gn   c a b e   us e i n   t h e   r e a l   l i f e .   T h e   de s i gn   i s   do w n l o a de o n   t h e   ki t   a nd  t h e   C h i pS c o p e   t oo l   i s   us e t o   c h e c t h e   v a l ue s   of   t h e   ki t   o ut put   t ha t   r e p r e s e nt   t h e   r e a l   i m pl e m e n t a t i o n.     T h e   Chi pS c o pe   c a n   a l s o   be   us e t o   c h e c t h e   v a l ue s   t ha t   p a s s   be t w e e n   t h e   i n t e rna l   b us e s   of   t h e   ki t .   T h e   r e a l   o ut put   da t a   i s   s h o w n   i n   F i gu r e   18 ,   F i gu r e   19   a n F i gu r e   20 .   T h e   r e t r i a n gu l a r   i n   t h e   t hr e e   f i gur e s   r e f e r s   t t h e   e n c r y pt e s t a t e   of   o ur   c a s e   s t ud y ,   a n t h e   uppe r   r e l i n e   r e f e r s   t o   t h e   s t a r t   o f   t h e   e n c r y pt i o n   pr o c e s s i n g.   T h e   da t a   i s   p r e s e n t e i t h e   w a v e fo r m   a n l i s t i n v i e w .   A s   s e e n   i F i gu r e   18 ,   t h e   e n c r y pt i o n   o f   o ur   c a s e   s t udy   w i l l   t a ke   26  c y c l e s .   T hi s   nu m b e r   o f   c y c l e s   i s   r e d uc e t o   12  c y c l e s   i n   t h e   p i pe l i ne p r o c e s s i ng  a s   s h o w n   i F i gu re   19   a nd  i t   is   re d uc e t o   c y c l e s   i n   t he   p a ra l l e l   p ro c e s s i ng  a s   s ho w n   i F i g u r e   20 .   T hi s   o u t p u t   d a t a   r e p re s e nt s   t h e   re a l   d a t a   a nd  t h e   r e a l   o u t p u t   o f   t h e   F P G A   i m p l e m e nt a t i o n   w hi c h   a p p r o v e s   t he   go a l   o f   t hi s   p a pe a nd   a s s u r e s   t h e   re s u l t s   o f   o u i m pl e m e nt a t i o t o   t h e   re a de r.   T h e   da s h e d   l i ne s   re f e t o   t h e   o ut p ut   i z o o m   o u t .               F i gu r e   18 .   T h e   c h i ps c o pe   a n a l y s i s   of   t h e   t r a d i t i o n a l   pr o c e s s i n g   F i gu r e   19 .   T h e   c h i ps c o pe   a n a l y s i s   of   t h e   p i pe l i n e d   pr o c e s s i n g                 F i gu r e   20 .   T h e   c h i ps c o pe   a n a l y s i s   of   t h e   p a r a l l e l   p r o c e s s i n g       T a b l e s   2,   a n 4   s h o w   t h e   de v i c e   ut i l i z a t i o n   s u m m a r y   of   t h e   t ra di t i o na l ,   t h e   pi pe l i n e d,     a n t h e   pa ra l l e l   p r o c e s s i n g.   T h e   p ri c e   of   t h e   f a s t   pe r f o r m a nc e   c o m e s   f r o m   t h e   i n c r e a s e   o f   t h e   c o n s um p t i o   of   l o gi c   s l i c e s   o n   t h e   us e ki t ;   i n   o t h e r   w o r ds   i n c r e a s e   of   t h e   ha r dw a r e   c o n s um p t i o n .   A s   t h e   s pe e i n c r e a s e s t h e   l o gi c   s l i c e s   c o n s um pt i o n   a l s o   i n c r e a s e s .       T a b l e   2 .   T h e   d e v i c e   u t i l i z a t i o n   s u m m a r y   fo r   t h e   n o rm a l   p r o c e s s i n g   L o g i c   u t i l i z a t i o n   U s e d   n u m b e r   N u m b e r   o s l i c e   f l i p   f l o p s   5546   N u m b e r   o 4   i n p u t   L U T s   2200   N u m b e r   o o c c u p i e d   s l i c e s   4 5 3 6 8   N u m b e r   o s l i c e s   c o n t a i n i n g   o n l y   r e l a t e d   l o g i c   2 2 7 9 8   T o t a l   n u m b e r   o 4   i n p u t   L U T s   4 5 3 6 8   N u m b e r   o b o n d e d   IO B s   133   N u m b e r   o B U F G M U X s   2   N u m b e r   o R A M B1 6 BW E s   8   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.