I nte rna t io na l J o urna l o f   Rec o nfig ura ble a nd   E m be dd e d Sy s t e m s     Vo l.   7 ,   No .   3 No v em b er   201 8 ,   p p .   15 7 ~1 65   I SS N:  2 089 - 4 864 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /i j r es. v7 . i3 . p p 157 - 1 6 5          157       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s co r e. co m/jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JR E S /in d ex   H ig Spe ed A rea  Efficien t   FP G I m ple m entatio n   o f     AES  A lg o rith m       P .   B .   M a ne ,   A.   O .   M ula ni   Dep ar t m en t o f   E lectr o n ics a n d   T elec o m m u n icatio n ,   A I S SM S I n s t.  o f   I n f o r m atio n   T ec h n o l o g y ,   P u n e ,   I n d ia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ag u   6 ,   2 0 1 8   R ev i s ed   Oct  7 ,   2 0 1 7   A cc ep ted   0 ct   21 ,   2 0 1 8       No w   a   d a y   d ig it a in f o rm a ti o n   is  v e ry   e a s y   to   p ro c e ss ,   b u t   it   a ll o w s   u n a u t h o r ize d   u se rs  to   a c c e ss   th is  in f o rm a ti o n .   T o   p ro tec t   th is   i n f o rm a ti o n   f ro m   u n a u th o rize d   a c c e ss ,   A d v a n c e d   En c ry p ti o n   S tan d a rd   (A ES )   is  o n e   o th e   m o st  f re q u e n tl y   u se d   sy m m e tri c   k e y   c r y p to g ra p h y   a lg o rit h m .   M a in   o b jec ti v e   o f   th is  p a p e is  to   imp lem e n f a st  a n d   se c u re   A ES   a lg o rit h m   o n   re c o n f ig u ra b le  p latf o r m .   In   th is   p a p e r,   A ES   a lg o rit h m   is  d e si g n e d   w it h   th e   a im   to   a c h iev e   les p o w e c o n su m p ti o n   a n d   h ig h   th r o u g h p u t .   Ke y a re   g e n e ra ted   u sin g   M A TL A a n d   re m a in in g   a lg o rit h m   is  d e sig n e d   u sin g   X i li n x   S y s Ge n ,   im p le m e n ted   o n   Ne x y s 4   a n d   sim u late d   u sin g   S im u li n k .   S y n th e sis   re su lt   sh o w th a it   c o n s u m e 1 2 1   slice   re g isters   a n d   it o p e ra ti n g   f re q u e n c y   is 1 1 0 2 . 5 3 6   M Hz .   T h ro u g h p u t   o f   th e   o v e ra ll   sy ste m   i s 1 4 . 1 1 2 5   G b p s.   K ey w o r d s :   DKP C A   FER   Gab o r   KP C A     Co p y rig h ©   2 0 1 8   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   A .   O.   Mu lan i,    Dep ar t m en t o f   E lectr o n ics a n d   T elec o m m u n icatio n ,   A I S SMS I n s tit u te  o f   I n f o r m ati o n   T ec h n o lo g y ,   P u n e ,   I n d ia .   E m ail: a k s altaa f @ g m a il.c o m         1.   I NT RO D UCT I O N   NI ST   h as st ar ted   d ev elo p m e n t   p r o ce s s   o f   FIP S f o r   A E S a l g o r ith m   s tat in g   t h at  t h is   is   t h r e p lace m en t   f o r   Data   E n cr y p tio n   Sta n d ar d   alg o r ith m .   Alter n at iv el y ,   t h i s   alg o r ith m   is   a ls o   k n o w n   a s   R ij n d ae A l g o r ith m .   R ij n d ae alg o r it h m   h as  t h ad v an ta g es  lik e   r esis tan ce   a g ain s al r ec o g n ized   attac k s ,   co d an d   s p ee d   co m p ac t n es s   an d   s i m p le  d esi g n .   C r y p to g r ap h y   i s   p r o ce s s   in   w h ich   t h i n f o r m atio n   to   b s en i s   ad d ed   w it h   s ec r et  k e y   s o   as  to   tr an s m it  t h d ata  s ec u r el y   at  t h d esti n ati o n .   T h er ar tw o   t y p e s   o f   cr y p to g r ap h y   b ased   o n   t y p o f   k e y   ap p lied S y m m e tr ic  k e y   cr y p to g r ap h y   an d   as y m m etr ic  k e y   cr y p to g r ap h y .   I n   s y m m etr ic  k e y   cr y p to g r ap h y ,   eq u al  k e y   is   u tili ze d   f o r   en cr y p tio n   as  w ell  as  d ec r y p tio n   w h er ea s   in   as y m m etr ic  k e y   cr y p to g r ap h y ,   d i f f er e n k e y s   ar r eq u ir ed   in   en cr y p tio n   an d   d ec r y p tio n .   A E alg o r it h m   i s   s elec ted   f o r   i m p le m en ta tio n   b ec a u s it   is   s ec u r e,   its   co m p o n e n ts   a n d   d es ig n   p r in cip les   ar c o m p letel y   s p ec if ied .   A E is   a   s y m m etr ic  k e y   b lo ck   c ip h er .   Desig n   o f   A E al g o r ith m   i s   b ased   o n   lin ea r   tr an s f o r m atio n   D u to   th u s o f   R ij n d ae alg o r it h m ,   d i f f er en b lo ck   an d   k e y   s izes  ca n   b s e lecte d   w h ic h   w as  n o p o s s ib le   in   DE a lg o r it h m .   B lo ck   an d   k e y   s ize  ca n   b s el ec ted   f r o m   1 2 8 /1 6 0 /1 9 2 /2 2 4 / 2 5 6   b its   an d   n ee d   n o b th s a m e.   A cc o r d in g   to   A E S   s ta n d ar d ,   th is   alg o r it h m   ca n   o n l y   ac ce p 1 2 8   b its   o f   b lo ck   a n d   k e y   s ize  ca n   b s elec ted   f r o m   1 2 8 /1 9 2 /2 5 6   b its .   B ased   o n   th k e y   s ize,   n u m b er   o f   r o u n d s   w il v ar y .   F o r   ex a m p le,   if   k e y   s ize  is   1 2 8 ,   1 9 2   o r   2 5 6 ,   th en   n u m b er   o f   r o u n d s   w il b 1 0 ,   1 2   an d   1 4   r esp ec t iv el y .   Str u ctu r o f   A E a lg o r ith m   i s   as  s h o w n   i n   Fig u r 1 .   I n   th i s   p ap er ,   th i s   a lg o r ith m   i s   d esi g n ed   w it h   1 2 8   b its   o f   b lo c k   s ize   an d   k e y   s ize  r esp ec tiv el y   i.e .   A E g en er ate s   cip h er   tex o f   1 2 8   b its   f o r   1 2 8   b its   o f   p lain te x t.  Af ter   t h in itia r o u n d ,   p lain tex p r o ce s s   th r o u g h   1 0   r o u n d s .   E ac h   r o u n d   co n tai n s   p r o ce s s e s   li k b y te  s u b s tit u tio n ,   s h i f r o w s ,   m i x   co lu m n s   a n d   ad d   r o u n d   k e y .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4 864     I J R E S Vo l.  7 ,   No .   3 ,   N o v e m b er   2 0 1 8   :   15 7     1 65   158       Fig u r e   1 .   Stru ct u r o f   A E S a l g o r ith m       1 . 1 .     B y t Su bs t it utio n   T h s ix teen   i n p u b y tes  ar s u b s titu ted   b y   u s i n g   f i x ed   lo o k   u p   tab le  k n o w n   as  s - b o x .   Fi g u r e   2   s h o w s   s - b o x   o f   A E alg o r ith m .   T h is   s - b o x   co n s i s ts   o f   all  p o s s ib le  co m b in a tio n s   o f   8   b it  s eq u en ce .   T h r esu ltin g   n e w   1 6   b y tes  ar e   o r g an ized   in   m atr i x   h a v in g   f o u r   r o w s   an d   f o u r   co lu m n s .   Fi g u r e   3   s h o w s   b y te  s u b s tit u tio n   s tag i n   A E S a l g o r ith m .           Fig u r e   2.   2   S - b o x   o f   A E A l g o r ith m       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R E     I SS N:  2089 - 4864       Hig h   S p ee d   A r ea   E fficien F P GA   I mp leme n ta tio n   o f   A E S   a lg o r ith m   ( P .   B .   Ma n e )   159       Fig u r e   3 .   B y te  s u b s t itu t io n   s ta g e       1 . 2 .   Sh if t   Ro w   E ac h   r o w   f r o m   t h m atr ix   g e n er ated   f r o m   t h b y te  s u b s tit u tio n   is   c y clica ll y   s h i f ted   to   t h lef t.  An y   en tr y   t h at  i s   d r o p p ed   o f f   is   r ei n s er ted   to   th r i g h s id e.   1 st   r o w   i s   k ep a s   it  is ,   2 nd   r o w   is   s h i f ted   b y   o n b y t e   p o s itio n   to   t h le f t,  3 rd   r o w   i s   s h i f ted   b y   t w o   b y te   p o s itio n   to   t h le f t   an d   4 th   ro w   i s   s h i f ted   b y   t h r ee   b y t e   p o s itio n   to   th le f t.  T h r es u lt an m atr ix   co n s i s ts   o f   s a m 1 6   b y te s   b u at  d i f f er en p o s iti o n .   Fig u r e   4   s h o w s   Sh i f t r o w   s ta g in   A E S a lg o r it h m .           Fig u r e   4.   Sh i f t r o w   s tag e       1 . 3 .   M ix   Co lu m n   E ac h   co lu m n   o f   f o u r   b y tes  i s   n o w   tr a n s f o r m ed   u s i n g   s p ec ial  ar ith m etica f u n ctio n   o f   G alo is   f ield   ( GF)   2 8 .   T h is   f u n ctio n   tak e s   f o u r   b y tes  o f   co lu m n   as  i n p u an d   o u tp u t s   co m p letel y   n e w   f o u r   b y tes  th a r ep lace s   th o r ig i n al  f o u r   b y te s .   Fig u r e   5   s h o w s   M ix   co l u m n   s tag i n   A E S a l g o r ith m .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4 864     I J R E S Vo l.  7 ,   No .   3 ,   N o v e m b er   2 0 1 8   :   15 7     1 65   160       Fig u r e   5.   Mix   co lu m n   s ta g e       1 . 4 .     Add  Ro un d K ey   T h s ix teen   b y tes  o f   t h r es u l tan m atr ix   g en er ated   f r o m   m ix   co lu m n   s ta g ar th e n   co n s id er ed   as  1 2 8   b its .   I n   ad d   r o u n d   k e y   s t ag e,   1 2 8   b its   o f   s tate  ar b itw is E X - O R ed   w ith   1 2 8   b its   o f   r o u n d   k e y .   I f   th is   r esu l t b elo n g s   to   las t r o u n d ,   th en   th o u tp u t i s   cip h er te x t e ls e   th r esu ltin g   1 2 8   b its   co n s id e r ed   as 1 6   b y te s   an d   an o th er   r o u n d   is   s tar ted   w it h   n e w   b y te  s u b s tit u tio n   p r o ce s s .   T h is   is   co lu m n   w i s o p er atio n   b et w ee n   f o u r   b y te s   o f   s tate  co lu m n   an d   o n w o r d   o f   r o u n d   k e y .   I n   th last   r o u n d ,   th er is   n o   m i x   co lu m n   s tep .   Fig u r e   s h o w s   ad d   r o u n d   k e y   s ta g i n   A E S a l g o r ith m .   Dec r y p tio n   o f   cip h er   te x g e n e r ated   f r o m   A E e n cr y p tio n   co n tai n s   all  t h s ta g es  i n   en cr y p t io n   b u in   r ev er s o r d er .   A E d ec r y p tio n   s tar ts   w it h   in v er s i n itial  r o u n d .   R e m ai n i n g   n in r o u n d s   in   d ec r y p tio n   co n s is t s   o f   p r o ce s s es lik ad d   r o u n d   k e y ,   in v er s s h i f t r o w s ,   in v er s b y te  s u b s tit u tio n   an d   in v er s m i x   co lu m n s .             Fig u r e   6 .   A d d   r o u n d   k e y   s ta g e         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R E     I SS N:  2089 - 4864       Hig h   S p ee d   A r ea   E fficien F P GA   I mp leme n ta tio n   o f   A E S   a lg o r ith m   ( P .   B .   Ma n e )   161   A d d   r o u n d   k e y A d d   r o u n d   k e y   h a s   it s   o w n   in v er s e   f u n c ti o n   s i n ce   XO R   f u n ctio n s   i ts   o w n   i n v er s an d   th r o u n d   k e y s   s h o u ld   b s elec ted   in   r e v er s o r d er .   I n v er s s h i f r o w s I n v er s s h if r o w s   f u n ct io n s   ex ac tl y   in   th s a m w a y   a s   s h if r o w   s ta g b u i n   o p p o s ite  d ir ec tio n .   T h 1 s r o w   is   k ep as  it  is ,   2 n d   r o w   is   s h i f ted   b y   o n b y te  p o s itio n   t o   th r ig h t,  3 r d   r o w   is   s h if ted   b y   t w o   b y te  p o s itio n   to   th r ig h an d   4 t h   r o w   i s   s h i f ted   b y   t h r ee   b y te  p o s it io n   to   th r ig h t.  T h r es u ltan m atr ix   co n s is t s   o f   s a m e   1 6   b y t es  b u at  d i f f er en t   p o s itio n .   Fig u r e   7   s h o w s   I n v er s Sh i f t r o w   s ta g i n   A E S a lg o r ith m .           Fig u r e   7 .   I n v er s S h i f t r o w       I n v er s b y te  s u b s tit u tio n : I n v e r s b y te  s u b s tit u tio n   is   d o n u s in g   p r ed ef in ed   s u b s t itu tio n   ta b le   k n o wn   as  i n v er s e   s - b o x .   Fi g u r e   8   s h o w s   in v er s s - b o x   i n   A E S   al g o r ith m .   I n v er s e   m i x   co l u m n T r an s f o r m atio n   i n   in v er s m ix   co l u m n   i s   d o n u s i n g   p o l y n o m ial s   o f   d eg r ee   less   t h an   4   o v er   Galo is   f ield   ( GF)   2 8   in   w h ich   co ef f icie n t s   ar th ele m en ts   f r o m   t h co lu m n   o f   t h s tate.           Fig u r e   8 I n v er s S - b o x   o f   A E Alg o r it h m       2.   P RE VIOU S WO RK   I n   t h is   s e ctio n ,   f o c u s   is   g i v e n   o n   w o r k   d o n e   b y   v ar io u s   r ese ar ch er s   o n   FP G A   b ased   i m p le m en tatio n   o f   A E alg o r ith m .   T h er ar e   v ar io u s   r esear ch er s   w h ic h   h av eith er   co n ce n tr ated   o n   ar ea   o p tim izat io n   o r   s p ee d   o p tim izatio n .   A .   O.   Mu la n et  al  [ 1 ]   d is cu s s ed   in teg r ati n g   o f   DW T   an d   A E al g o r ith m   f o r   i m p le m en ta tio n   o f   w ater m ar k i n g   o n   FP GA .   T h d es ig n   w a s   i m p le m en ted   o n   x c6 v c x 7 5 t - 2 f f 4 8 4   an d   it  u til izes   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4 864     I J R E S Vo l.  7 ,   No .   3 ,   N o v e m b er   2 0 1 8   :   15 7     1 65   162   2 1 1 7   s lices  at  m a x i m u m   o p er atin g   f r eq u en c y   o f   2 2 8 . 0 6 4   MH z.   R aa th ee s h   T .   et   al  [ 2 ]   p r o p o s ed   i m p le m en ta tio n   o f   A E alg o r ith m   w i th   lo w   p o w er   MU L UT   b ased   s - b o x   o n   FP GA .   T h is   d esi g n   ac h ie v ed   to tal  p o w er   d is tr ib u tio n   o f   0 . 5 5   W .   A .   A g ar w al  et  al  [ 4 ]   s u g g es ted   i m p le m e n tatio n   o f   A E al g o r ith m   u s i n g   Ver ilo g   o n   Sp ar tan 3 E   FP GA .   T h is   d esig n   u til izes  1 4 6 4   s lices.  U.   Far o o q   et  al  [ 5 ]   d is cu s s ed   im p le m e n tatio n   o f   A E alg o r it h m   o n   FP GA  d ev ice  u s i n g   f i v d if f er e n tech n iq u es  w h ic h   ar s u i tab le  f o r   ar ea   cr itical   ap p licatio n s   an d   s p ee d   cr itical  ap p licatio n s .   T h is   d esig n   w a s   i m p le m e n ted   o n   Sp ar tan - 6   FP GA   d ev ice  an d   it   u tili ze s   1 6 1   s lices  at  m a x i m u m   o p er atin g   f r eq u e n c y   i s   8 8 6 . 6 4   MH z.   T h th r o u g h p u o f   t h is   s y s te m   i s   1 1 3 . 5   Gb p s .   N.   S.  Sai Sr in iv a s   et  al  [ 6 ]   p r o p o s ed   less   co m p le x   h ar d w ar i m p le m en tat io n   o f   A E R ij n d ae l a lg o r it h m   o n   Xilin x   Vir tex - 7   XC 7 VX9 0 T   FP GA .   I n   th p r o p o s ed   d esig n ,   s y n th e s is   to o w a s   s et  to   o p ti m ize  s p ee d ,   ar ea   an d   p o w er .   Nis h th a   Ma th u r   et   al  [ 7 ]   p r o p o s ed   cr y p to s y s te m   w h ich   is   co m b i n atio n   o f   A E al g o r ith m   a n d   E C C .   T h is   is   h y b r id   en cr y p t io n   s ch e m an d   th k e y   s ize  is   1 9 2   b its   an d   th er ar e   1 2   n u m b er   o f   iter atio n s   i n   th is   s y s te m .   K.   Kala i s el v et  a [ 8 ]   p r o p o s ed   lo w   p o w er   an d   h i g h   t h r o u g h p u FP G A   i m p le m en tatio n   o f   A E S   alg o r ith m   u s in g   k e y   ex p a n s io n   tech n iq u e.   T h is   d esig n   ac ce p ts   k e y   s ize  o f   2 5 6   b its   f o r   b o th   en cr y p tio n   a n d   d ec r y p tio n .   T h is   d esi g n   u til izes  5 4 9 3   s lices  a n d   it s   m ax i m u m   o p er ati n g   f r eq u e n c y   i s   2 7 7 . 4   MH z.   T h th r o u g h p u o f   t h is   s y s te m   is   0 . 0 6   G b p s .   H.   S.  Desh p an d et  al  [ 9 ]   s u g g e s ted   B R A b ased   FP GA   b ased   i m p le m en ta tio n   o f   A E al g o r ith m .   D u to   u s o f   B R A M s   f o r   i m p le m en tin g   s - b o x ,   t h i s   d esig n   u t ilizes  le s s   n u m b er   o f   s lice s .   T h d esi g n   w a s   i m p le m en ted   o n   X C 3 S1 4 0 0 A an d   i u tili ze s   3 3 7 6   s lices.  A te f   I b r ah i m   [ 1 0 ]   p r esen ted   FP GA  i m p le m en tatio n   o f   A E en cr y p tio n   c o r th at  is   s u itab le  f o r   li m ite d   r eso u r ce   li m i ted   ap p licatio n s .   T h is   d esig n   w a s   i m p le m e n ted   o n   Sp ar tan - 3   an d   it  u til ize s   1 5 0   s lices  at  m ax i m u m   o p er atin g   f r eq u en c y   o f   9 0   MH z.   Kh o s P .   N.   et  al  [ 1 1 ]   p r o p o s ed   im p l e m en tatio n   o f   A E alg o r it h m   o n   FP GA   i n   o r d er   to   ac h iev h ig h   s p ee d   o f   d ata  p r o ce s s in g   a n d   also   to   r ed u ce   ti m f o r   g en er ati n g   k e y .   T h is   d esig n   u ti lizes  2 0 1   s lices  a n d   2   B R A M s   at  m a x i m u m   o p er atin g   f r eq u en c y   o f   7 0   MH z.   A .   O.   Mu la n et  al  [ 1 2 ]   p r o p o s ed   FP GA  i m p le m en ta tio n   o f   DE S   alg o r i th m .   T h d esig n   w as  i m p le m e n ted   o n   X C 2 S2 0 0   an d   it  u ti liz es  2 1 1 8   s lices  a n d   9 7   I OB s .     Ye w a le  Mi n al  J .   et  al  [ 1 3 ]   p r o p o s ed   i m p le m e n tatio n   o f   A E S   en cr y p tio n   u s i n g   V HD L   an d   d ec r y p tio n   u s i n g   Vis u al  b asic.  W ith   th i s   ap p r o ac h ,   1 4 0 3   s lices  ar u tili ze d   at  m ax i m u m   o p er ati n g   f r eq u en c y   o f   1 6 0 . 8 7 5   MH an d   it  h as  th r o u g h p u t   o f   2 . 0 5 9   Gb p s .   H.   S.  Desh p an d et  al  [ 1 4 ]   d is cu s s ed   FP GA   b a s ed   o p ti m ized   ar ch itect u r th at  u tili ze s   les s   ar ea .   T h is   d esig n   w a s   in te n d ed   f o r   p lain tex o f   1 2 8   b its   an d   k e y   o f   1 2 8   b its .   A .   R .   T o n d et  al  [ 1 5 ]   d is cu s s ed   FP G A   b ased   i m p le m en t atio n   o f   AE al g o r ith m   u s in g   iter ati v lo o p in g   ap p r o ac h   f o r   1 2 8   b its   o f   b lo ck   an d   k e y   s ize.   So n al A .   Var h ad et  al  [ 1 8 ]   p r o p o s ed   FP GA   b ased   A E S   alg o r ith m   w h ic h   u tili ze s   1 7 4 6   lo g ic  ele m en t s   a n d   3 2 7 6 8   m e m o r y   b it s .   T h is   d esi g n   w a s   s y n th e s ized   o n   C y clo n e - I I   u s i n g   A lter a.   Sali m   W ad et  a [ 1 9 ]   p r o p o s ed   s o m m o d i f icat io n s   lik e   d ec r ea s in g   n u m b er   o f   r o u n d s   an d   r ep lacin g   S - b o x   w it h   n e w   s - b o x   to   r ed u ce   h ar d w ar r eq u ir e m e n ts   i n   o r d er   to   en h an ce   th p er f o r m a n ce   o f   A E S a l g o r ith m   in   ter m s   o f   ti m ci p h er i n g   an d   p atter n   ap p ea r an ce .   W ei  W an g   et  al  [ 2 1 ]   s u g g e s te d   h ig h   s p ee d   i m p le m e n tatio n   o f   A E al g o r ith m   o n   FP GA   t o   tr an s m it   th d ata  s ec u r el y   u s i n g   p ip elin i n g   an d   p ar allel  p r o ce s s in g   m et h o d s .   Sh y las h r ee   N.   et  al  [ 2 2 ]   f o cu s ed   o n   v ar io u s   n o v el  FP G A   ar c h itec tu r es  o f   A E S   alg o r it h m .   B o r k ar   A .   M.   et  a [ 2 3 ]   p r o p o s ed   iter ativ d esi g n   ap p r o ac h   f o r   F P GA   i m p le m e n tatio n   o f   A E al g o r ith m   u s in g   VHD L .   T h is   d esig n   u t ilizes   1 8 5 3   s lices  an d   its   o p er atin g   f r eq u e n c y   i s   1 4 0 . 3 9 0   MH z.   A .   M.   Desh p an d et  al  [ 2 4 ]   p r esen ted   v er y   lo w   co m p lex it y   FP G A   b ase   ar ch itect u r f o r   i n te g r ated   A E en cr y p to r   an d   d ec r y p to r .   T h is   d esig n   is   s y n t h esized   o n   Sp ar t an - 3   X C 3 S4 0 0   FP GA .   S.   Kau r   et   al  [ 2 5 ]   s u g g es ted   an   e f f icie n i m p le m en tatio n   o f   A E al g o r ith m   o n   FP G A   i n   w h ic h   m u ltip le  r o u n d s   ar p r o ce s s ed   s i m u lta n eo u s l y .   Du to   th i s   im p le m e n tat io n ,   s p ee d   is   in cr ea s ed   b u it  in cr ea s es   ar ea .   T h is   d esig n   u tili ze s   6 2 7 9   s lic es  an d   5   B R A Ms  an d   it s   o p er atin g   f r eq u e n c y   i s   1 1 9 . 9 5 4   MH z.   So u n ak   Sa m a n ta  [ 2 6 ]   p r o p o s ed   f ast  a n d   ef f icie n t   r ec o n f ig u r ab le  p l atf o r m   b a s ed   i m p le m e n tatio n   o f   A E S   al g o r ith m   u s i n g   p ip elin in g .   T h is   d esig n   u tili ze s   1 0 5 1   s lices  an d   1 1   B R A M s   an d   its   o p er atin g   f r eq u e n c y   is   7 6 . 6 9 9   MH z.   T .   Go o d   et  al  [ 2 7 ]   d is cu s s ed   h ar d w ar i m p le m e n tatio n   o f   f astes an d   s lo w e s A E alg o r i th m   w h ic h   u t ilize s   1 6 , 6 9 3   s lices a m ax i m u m   o p er atin g   f r eq u e n c y   o f   1 8 4 . 8   MH z.       3.   I M P L E M E NT AT I O O F   P RO P O SE DE SI G N   T h p r o p o s ed   d esig n   is   i m p l e m en ted   w it h   t h ai m   to   ac h iev b o th   ar ea   an d   s p ee d   o p ti m izatio n .   T h is   is   ac h ie v ed   b y   g en er at in g   th k e y s   r eq u ir ed   f o r   ea ch   r o u n d   u s in g   M A T L A B   an d   th e n   th k e y s   ar u s ed   in   t h VHD L   co d e.   Du to   t h is   ap p r o ac h ,   th d esi g n   o cc u p ies  les s   n u m b er   o f   s l ices  a n d   also   th s p ee d   is   f aster   a s   co m p ar ed   to   n o r m al  ap p r o ac h .   T h d esig n   i s   i m p l e m en ted   u s in g   Xili n x   s y s te m   g en er ato r .   Fi g u r e   9   s h o w s   X ili n x   s y s te m   g e n er ato r   b ased   Si m u li n k   m o d el  f o r   AE S a lg o r ith m       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R E     I SS N:  2089 - 4864       Hig h   S p ee d   A r ea   E fficien F P GA   I mp leme n ta tio n   o f   A E S   a lg o r ith m   ( P .   B .   Ma n e )   163       Fig u r 9 S y s te m   Ge n er ato r   b ased   Si m u li n k   m o d el  f o r   A E S a lg o r ith m       4.   E XP E R I M E NT A L   RE SUL T S   4 . 1 .     RT L   Sche m a t ic   Fig u r e   10   s h o w s   d etailed   R T L   s ch e m atic  o f   A E S a lg o r it h m .           Fig u r e   10 .   Deta iled   R T L   Sch e m atic  o f   A E S a lg o r it h m       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4 864     I J R E S Vo l.  7 ,   No .   3 ,   N o v e m b er   2 0 1 8   :   15 7     1 65   164   4 . 2   RT L   Sche m a t ic   T h d esig n   is   s y n t h es ized   u s i n g   X ili n x   X ST   s y n t h es izer .   I n   th p r o p o s ed   d esig n ,   a n   o p ti m ized   an d   s y n t h esizab le  V HD L   co d f o r   th i m p le m en ta tio n   o f   i m ag e   a s   w ell  a s   1 2 8 - b it d ata  en cr y p ti o n   is   d e v elo p ed   s o   as to   u tili ze   le s s   ar ea   an d   in cr e ase  th s p ee d .   T ab le  1   s h o w s   d esig n   u ti lizatio n   s u m m ar y   o f   p r o p o s ed   d esig n .       T ab le  1 .   Desig n   Util i za tio n   S u m m ar y   D e si g n   U t i l i z a t i o n   S u m mary   L o g i c   U t i l i z a t i o n   U se d   A v a i l a b l e   U t i l i z a t i o n   N u mb e r   o f   S l i c e   r e g i st e r s   1 2 1   1 2 6 8 0 0   0   N u mb e r   o f   sl i c e   L U T s   4 7 8 2   6 3 4 0 0   7   N u mb e r   o f   b o n d e d   I O B s   25   2 1 0   11       Fro m   th s y n t h es is   r esu lts   o f   th p r o p o s ed   d esig n ,   it  i s   clea r   th at  th is   s y s te m   u tili ze s   o n l y   1 2 1   s lice  r eg is ter s   a n d   its   m a x i m u m   o p er atin g   f r eq u e n c y   i s   1 1 0 2 . 5 3 6   MH z.   T h th r o u g h p u o f   t h s y s te m   is   ca lc u lated   u s i n g   th f o llo w in g   f o r m u la:                                                                                     (1 )     B y   s u b s t itu tin g   t h v al u es i n   e q u atio n   ( 1 ) ,   th r o u g h p u t o f   th s y s te m s   is   1 4 . 1 1 2 5   Gb p s .       5.   P E RF O RM ANCE AN AL YS I S   P er f o r m a n ce   a n al y s is   is   m u s to   co m p ar t h p er f o r m a n ce   o f   p r o p o s ed   im p le m e n tatio n   w i th   e x is ti n g   m et h o d s .   T h p er f o r m a n ce   i s   co m p ar ed   o n   th b as is   o f   ar ea   an d   o p er atin g   f r eq u en c y .   T ill  d ate  v ar io u s   r esear ch er s   h a v w o r k ed   o n   F P GA   b ased   i m p le m e n tatio n s   o f   A E al g o r ith m ,   s o m o f   t h e m   h a v o p ti m ized   s p ee d   an d   s o m h a v o p ti m i ze d   ar ea .   I n   th is   p r o p o s ed   s y s te m ,   b o th   ar ea   an d   s p ee d   is   o p tim ized .   T a b le   s h o w s   p er f o r m an ce   co m p ar i s o n   o f   p r o p o s ed   s y s te m   w it h   p r ev io u s   w o r k .         T ab le  2 .   P er f o r m a n ce   C o m p ar is o n   o f   P r o p o s ed   Sy s te m   w ith   P r ev io u s   W o r k   S r .   N o .   A u t h o r s   S l i c e s   O p e r a t i n g   F r e q .   ( M H z )   1   P r o p o se d   w o r k   1 2 1   1 1 0 2 . 5 3 6   2   [ 4 ]   1 4 6 4   --   3   [ 5 ]   1 6 1   8 8 6 . 6 4   4   [ 8 ]     5 4 9 3   2 7 7 . 4   5   [ 9 ]   3 3 7 6   --   6   [ 1 0 ]   1 5 0   9 0     7   [ 1 1 ]   2 0 1   70   8   [ 1 3 ]   1 4 0 3   1 6 0 . 8 7 5   9   [ 1 8 ]   1 7 4 6     --   10   [ 2 3 ]   1 8 5 3   1 4 0 . 3 9 0   11   [ 2 5 ]   6 2 7 9   1 1 9 . 9 5 4       6.   CO NCLU SI O N   I n   th i s   p ap er ,   f ast  an d   s ec u r i m p le m e n tat io n   o f   A E al g o r it h m   o n   FP G A   i s   s u g g est ed .   A s   p er   th lit er at u r s u r v e y ,   it  is   c lea r   th at  [ 5 ]   ac h iev e s   b etter   p er f o r m a n ce   i n   ter m s   o f   s p ee d   w h er ea s   [ 1 0 ]   ac h iev es  b etter   p er f o r m a n ce   i n   ter m s   o f   ar ea .   I n   t h i s   d esi g n ,   d u to   o f f li n k e y   g en er atio n   an d   b e tter   Xili n x   S y s te m   Gen er ato r   b ased   d esig n   t h s y s te m   is   o p ti m i ze d   an d   i u tili z es  o n l y   1 2 1   s lice  r eg is ter s   at  m ax i m u m   o p er atin g   f r eq u en c y   o f   1 1 0 2 . 5 3 6   MH z.   A l s o ,   th r o u g h p u t o f   t h p r o p o s ed   s y s te m   i s   1 4 . 1 1 2 5   Gb p s .       RE F E R E NC E S   [1 ]   A lt a f   O.  M u lan a n d   P . B . M a n e ,   W a t e r m a r k in g   a n d   Cry p to g ra p h y   b a s e d   Im a g e   A u th e n ti c a ti o n   o n   re c o n f ig u ra b le  p latf o rm ,   Bu ll e ti n   o f   El e c tri c a En g in e e rin g   a n d   I n f o rm a ti c s,  Ju n e   2 0 1 7 .   [2 ]   Ra th e e sh   T .   a n d   S e e n a   Na ra y a n a n ,   F P G A   b a s e d   im p le m e n tatio n   o f   A ES   En c ry p ti o n   a n d   De c ry p ti o n   w it h   lo p o w e m u lt ip lex e L U T   b a se d   S - b o x ,   IOS J o u rn a o E lec tro n ic s a n d   Co mm u n ica t io n   E n g i n e e rin g ,   A p ril   2 0 1 7 .   [3 ]   A lt a f   O.  M u lan a n d   Dr.  P .   B.   M a n e ,   A re a   E ff icie n h ig h   sp e e d   F P G A   b a se d   in v isib le  w a ter m a rk in g   f o i m a g e   a u th e n ti c a ti o n ,   I n d ia n   J o u r n a l   o f   S c ien c e   a n d   T e c h n o lo g y ,   V o l . 9   ( 3 9 ),   Oc to b e 2 0 1 6 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R E     I SS N:  2089 - 4864       Hig h   S p ee d   A r ea   E fficien F P GA   I mp leme n ta tio n   o f   A E S   a lg o r ith m   ( P .   B .   Ma n e )   165   [4 ]   A b h in a n d a n   A g a r wa l,   G a g a n d e e p   S i n g h   a n d   P ro f .   (Dr.)   Ne e la m   S h a rm a ,   I m p le m e n tatio n   o f   AES   a lg o rit h m ,   In ter n a t io n a J o u rn a o E n g in e e rin g   Res e a rc h   a n d   S c ien c e   ( IJ OER) ,   A p ril   2 0 1 6 .   [5 ]   U.  F a ro o q   a n d   M .   F a isa A sla m ,   Co m p a ra ti v e   a n a l y sis  o f   d iffer e n A ES   im p le m e n tatio n   tec h n i q u e f o r   e ff icie n re so u rc e   u sa g e   a n d   b e tt e p e rf o rm a n c e   o f   a n   F P G A ,   J o u rn a l   o f   Kin g   S a u d   U n ive rs it y - Co mp u ter   a n d   I n fo rm a ti o n   S c ien c e s ,   M a rc h   2 0 1 6 .   [6 ]   N.S . S a S rin iv a a n d   M d .   A k ra m u d d in ,   F P G A   Ba se d   Ha rd w a r e   Im p le m e n tatio n   o f   A ES   Rij n d a e A lg o rit h m   f o r   En c ry p ti o n   a n d   De c ry p ti o n ,   I EE In ter n a ti o n a Co n fer e n c e   o n   El e c trica l,   El e c tro n ics   a n d   Op ti miza t io n   T e c h n iq u e s ,   M a rc h   2 0 1 6 .   [7 ]   Nish th a   M a th u a n d   Ra jes h   Ba n s o d e ,   A ES   b a se d   T e x En c r y p ti o n   u sin g   1 2   ro u n d w it h   d y n a m ic   k e y   se lec ti o n ,   In ter n a t io n a C o n fer e n c e   o n   C o mm u n i c a t io n ,   Co m p u t in g   a n d   Vi rtu a li za ti o n ,   2 0 1 6 .   [8 ]   K.  Ka laise lv a n d   H.   M a n g a lam ,   P o w e Eff icie n a n d   h ig h   p e rf o rm a n c e   V L S A rc h it e c tu re   f o AES   A lg o rit h m ,   J o u rn a o El e c trica S y ste ms   a n d   In fo rm a ti o n   T e c h n o l o g y ,   S e p tem b e 2 0 1 5 .     [9 ]   H.S . De sh p a n d e ,   Dr.K. J.Ka ra n d e   a n d   A . O.M u la n i,   A re a   Op ti m ize d   Im p lem e n tatio n   o f   A ES   A lg o rit h m   o n   F P G A” ,   IEE In ter n a ti o n a C o n fer e n c e   o n   Co mm u n ica t io n s a n d   S i g n a Pr o c e ss in g   ( ICCS P) ,   A p ril   2 0 1 5 .   [1 0 ]   A te f   Ib ra h im ,   F P G A   Ba se d   Ha rd w a re   I m p le m e n tatio n   o f   Co m p a c A ES   En c ry p ti o n   Ha rd w a re   Co re ,   W S EAS   T ra n sa c ti o n s o n   Circ u it s a n d   S y ste m s,  2 0 1 5 .   [1 1 ]   Kh o se   P . N.  a n d   Ra u t   V . G . ,   I m p le m e n tatio n   o f   A ES   a lg o rit h m   o n   F P G A   f o lo w   a re a   c o n s u m p ti o n ,   IEE In ter n a t io n a C o n fer e n c e   o n   Per v a siv e   Co mp u ti n g   ( ICPC) ,   Ja n u a ry   2 0 1 5 .   [1 2 ]   A lt a f   O.  M u lan a n d   Dr.  P .   B.   M a n e ,   A r e a   o p ti m iz a ti o n   o f   Cr y p to g ra p h ic  a lg o rit h m   o n   les d e n se   re c o n f ig u ra b le  p latf o rm ,   IEE In ter n a ti o n a C o n fer e n c e   o n   S ma rt  S tru c t u re s a n d   S y ste ms   ( ICS S S ) ,   Oc to b e 2 0 1 4 .   [1 3 ]   Ye w a le  M in a J.  a n d   M .   A .   S a y y a d ,   I m p le m e n tatio n   o f   A ES   o n   F P G A ,   IOSR  Jo u rn a o f   V L S a n d   S ig n a l   P r o c e ss in g   (IOSR - JV S P ),   Oc to b e 2 0 1 4 .     [1 4 ]   H.S . De sh p a n d e ,   Dr.K. J.Ka ra n d e   a n d   A . O.M u lan i ,   Ef f i c ien Im p l e m e n tatio n   o f   A ES   A l g o rit h m   o n   F P G A ,   IEE In ter n a t io n a C o n fer e n c e   o n   C o mm u n ica t io n s a n d   S ig n a Pro c e ss in g   ( ICCS P) ,   A p ril   2 0 1 4 .   [1 5 ]   A sh w in R.   T o n d e   a n d   A k sh a y   P .   Dh a n d e ,   Re v ie w   p a p e o n   F P G A   b a se d   im p le m e n tatio n   o f   A d v a n c e d   En c ry p ti o n   S tan d a rd   (A ES A lg o rit h m ,   In ter n a ti o n a J o u rn a l   o f   A d v a n c e d   Res e a rc h   in   C o mp u ter   a n d   Co mm u n ica ti o n   En g i n e e rin g ,   Ja n u a ry   2 0 1 4 .   [1 6 ]   A n u p   G u jar,  Im a g e   e n c ry p ti o n   u sin g   A ES   a lg o rit h m   b a se d   o n   F P G A ,   In ter n a ti o n a J o u rn a l   o f   Co mp u ter   S c ien c e   a n d   In f o rm a ti o n   T e c h n o lo g ies   ( IJ CS IT ) ,   2 0 1 4 .   [1 7 ]   Rit u   P a h a a n d   Vik a Ku m a r,   Eff icie n I m p le m e n tatio n   o f   A E S   a lg o rit h m ,   In ter n a ti o n a J o u r n a o Ad v a n c e d   Res e a rc h   in   C o mp u ter   S c ien c e   a n d   S o ft w a re   En g in e e rin g   ( IJ AR CS S E) ,   J u ly   2 0 1 3 .   [1 8 ]   S o n a li   A .   V a rh a d e   a n d   N.  N.  Ka sa t,   I m p le m e n tatio n   o f   A ES   a l g o rit h m   u sin g   F P G A   a n d   it p e rf o rm a n c e   a n a l y sis” ,   In ter n a t io n a J o u rn a o S c ien c e   a n d   Res e a rc h ,   M a y   2 0 1 3 .   [1 9 ]   S a li m   M .   W a d a n d   Na sh a ru d d i n   Zain a l ,   Ra p id   E n c ry p ti o n   m e th o d   b a se d   o n   A ES   a lg o rit h m   f o G re y   s c a le  H D   im a g e   e n c r y p ti o n ,   In ter n a ti o n a Co n fer e n c e   o n   El e c trica E n g in e e rin g   a n d   In fo rm a t ics ,   2 0 1 3 .   [2 0 ]   S li m a n   A rra g ,   A b d e ll a ti f   Ha m d o u n ,   A b d e rra h im   T ra g h a   a n d   S a la h   E d d in e   Kh a m li c h ,   S e v e ra A E S   v a rian ts  u n d e r   V HD L   lan g u a g e   in   F P G A” ,   In ter n a ti o n a J o u rn a o C o mp u ter   S c i e n c e   Iss u e s ( IJ CS I) ,   S e p tem b e 2 0 1 2 .   [2 1 ]   W e W a n g ,   Jie   Ch e n   a n d   F e i   Xu ,   A n   Im p lem e n tatio n   o f   A ES   A l g o rit h m   b a se d   o n   F P G A ,   IEE I n ter n a t io n a l   Co n fer e n c e   o n   Fu zz y   S y ste ms   a n d   Kn o wle d g e   Disc o v e ry M a y   2 0 1 2 .   [2 2 ]   S h y las h re e   N.,   Na g a rju n   Bh a a n d   V .   S h ri d h a r,   F P G A   I m p le m e n tatio n o f   A d v a n c e d   En c ry p ti o n   S ta n d a rd A   S u rv e y ,   In ter n a ti o n a J o u rn a o f   Ad v a n c e s in   E n g i n e e rin g   a n d   T e c h n o l o g y   ( IJ AE T ) ,   M a y   2 0 1 2 .   [2 3 ]   Bo rk a A .   M . ,   Ks h irsa g a R. V .   a n d   V y a w a h a re   M . V . ,   F P GA   i m p le m e n tatio n   o f   A ES   a lg o rit h m ,   IEE E   In ter n a t io n a C o n fer e n c e   o n   E lec tro n ics   Co m p u ter   T e c h n o l o g y   ( ICECT ) ,   A p ril   2 0 1 1 .   [2 4 ]   A sh w in M .   De sh p a n d e ,   M a n g e sh   S .   De sh p a n d e   a n d   De v e n d ra   N.  Ka y a tan a v a r,   F P GA   I m p le m e n tatio n   o f   A ES   En c ry p ti o n   a n d   De c ry p ti o n ,   IEE In ter n a ti o n a Co n fer e n c e   o n   C o n tro l,   A u to m a ti o n ,   Co mm u n ica t io n   a n d   E n e rg y   Co n se rv a ti o n ,   J u n e   2 0 0 9 .   [2 5 ]   Ka u S w in d e a n d   V ig   R. ,   Ef ficie n Im p le m e n tatio n   o f   A ES   a lg o rit h m   in   F P GA   De v ice ,   IEE In ter n a t io n a l   Co n fer e n c e   o n   Co m p u t a ti o n a In t e ll ig e n c e   a n d   M u l ti m e d ia   Ap p li c a ti o n s ,   De c e m b e 2 0 0 7 .   [2 6 ]   S o u n a k   S a m a n ta,  F P G A   i m p le m e n tatio n   o f   A ES   En c ry p ti o n   a n d   De c ry p ti o n ,   S a rd a r   V a ll a b h b h a i   Na ti o n a In stit u te  o f   T e c h n o lo g y ,   S u ra t,   2 0 0 7 .   [2 7 ]   T .   G o o d ,   M .   Be n a issa ,   A ES   o n   F P G A   f ro m   fa ste st  to   s m a ll e st” ,   P r o c e e d in g o f   In tern a ti o n a W o rk sh o p   o n   Cr y p to g ra p h ic Ha rd w a re   a n d   Emb e d d e d   sy ste m s,  2 0 0 5 .   [2 8 ]   X in m iao   Zh a n g   a n d   a n d   Ke sh a b   K.  P a r h i,   Hig h   S p e e d   V L S A rc h it e c tu re f o th e   A ES   A l g o rit h m ,   IEE E   T ra n sa c ti o n   o n   Ver y   L a r g e   S c a le  In teg ra t io n   ( VL S I)  S y ste ms ,   V o l.   1 2 ,   N o .   9 ,   S e p tem b e 2 0 0 4 .   [2 9 ]   S .   M .   F a r h a n ,   S .   A .   Kh a n   a n d   H.  Ja m a l,   M a p p in g   o f   Hig h   b i a lg o rit h m   to   lo w   b it   f o o p t i m iz e d   h a rd w a r e   im p le m e n tatio n ,   IEE I n ter n a ti o n a C o n fer e n c e   o n   M icr o e lec tro n i c s ( IC M ) ,   De c e m b e 2 0 0 4 .   [3 0 ]   A d a m   J.  El b irt ,   W .   Yip ,   B.   Ch e t wy n d   a n d   C.   P a a r,   A n   F P G A   Ba se d   P e rf o rm a n c e   Ev a lu a ti o n   o f   AES   Bl o c k   Cip h e r   Ca n d id a te  A lg o rit h m   F in a li sts” ,   IEE T ra n sa c ti o n   o n   Ver y   L a r g e   S c a le  In teg r a ti o n   ( VL S I)  S y ste ms ,   V o l . 9   N o . 4 ,   A u g u st 2 0 0 1 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.