T E L K O MN I K A  T el eco m m u n i ca t i o n ,  C o m p u t i n g ,  E l ect ro n i cs  a n d  C o n t ro l   Vo l .   19 , N o .   5 O ct o b er   2021 , p p 1636 ~ 1647   I S S N :  1693 - 6930,  a c c r e di t e d F i r s t  G r a de  by K e m e nr i s t e kdi kt i ,  D e c r e e  N o:  21/ E / K P T / 2018   D O I :  10. 12928/ T E L K O M N I K A . v19i 5. 19416     1636       Jou r n al  h om e page ht t p: / / j our nal . uad . ac . i d/ i nde x . php/ T E L K O M N I K A   E f f i ci en t   ha rdw a re  pro t o t y pe  o f   E C D SA  m o d ul es   f o r   bl o ck cha i a p p lic a t io n s       D e vi k a K .   N . ,  R am e s h  B h ak t h avat c h al u   De pa r tm e n t of  E le c tr on ic s a n d C om m un ic a t io n E ng ine e r in g,  Am r i ta  Vi sh wa  V id ya pe e tha m ,  Am r ita pur i,  I nd ia       A rt i cl e I n f o     AB S T RACT   A r tic le  h is to r y :   R e c e i ve d J a n 08,  2021   R ev i s ed   J ul  16 ,  2021   A ccep t ed  J u l  3 1 , 2021       Th is pa pe r  c o nc e n tr a te s o n the   ha r d wa r e  im ple m e nta ti o n of  e f f ic ie n t a n d r e -   c onf ig ur a b le   e ll ip tic  c ur ve  di gi ta l s ig na t ur e  a lg or i thm   ( E C DS A)  tha t is s ui ta b le   fo r v e r if yi ng tr a nsa c t io ns i B loc kc ha in r e la te d   a pp lic a ti ons.   De sp ite  EC DS A   a r c hi te c t ur e  be in g c om p uta ti ona ll y e xpe ns ive ,   the   usa ge  of  a   de d ic a te sta nd - a lo ne  c ir c ui t e na b le s spe e dy e xe c u ti on  of  a r i thm e tic   ope r a ti on s.  The   pr o to ty pe   put f or t h s up por ts N - bi e ll i pt ic  c ur ve  c r yp to gr a p hy ( EC C )   gr ou p   ope r a ti on s,   sig na tur e   ge ne r a ti on  a n d ve r if ic a ti on  o ve r  a   pr im e  f ie l f or  a n y e ll ip tic   c u r v e .   The  r e se a r c h pr o po se s ne w ha r dw a r e  f r a m e wor k f or  m odu la r  m ul ti pl ic a ti on   a nd m od ula r  m u lt ip lic a ti ve  in ve r se  w hic h is a do pte d f or   gr ou p ope r a ti on s   inv ol ve d i n EC DS A .   E v e r y  h a r d w a r e   de si gn   of f e r e d  a r e  sim ula te us in g   m ode ls im  r e gis te r  tr a n sf e r  lo gic   ( R TL )  sim u la tor .   F ie l d pr ogr a m m a ble  ga te   array  ( F PG A )   im ple m e nta ti on of  va r -   io us   m o du le s w it hin  EC DS A c ir c u it i s   c om pa r e d wi th e qu iva le n t e xi st in g te c hn iq ue s t ha is  bot h ha r dwa r e  a n d   sof t wa r e  b a se d to  hi gh li gh t t he  s upe r ior it y of   the  s ug ge s te d w or k.   The  r e su lt s   sho wc a se d pr ove   tha t t he  de s ig ns  im p le m e n te d a r e   bot h a r e a  a n d s pe e d   effi c ie nt w it h f a ste r  e xe c ut io n a n d le s s r e so ur c e  ut il iz a t i on w hi le  m a in ta i ni ng   the  sa m e  le ve of  se c ur it y.  The  s ug ge s te EC DS A str uc t ur e  c ou ld r e p la c e  t he   sof t wa r e  e q ui va le n t of  d ig ita l s ig na t ur e in  ha r d wa r e   blo c kc ha i n to  th wa r t   sof t wa r e   a t ta c k a n to  pr o vi de  be t te r  da ta  pr ote c ti on.   Ke y wo r d s :   B l oc kc ha i   E CD S A   FPG A   H ar d w ar e s ecu r i t y     T his  is  a o pe ac c e s ar tic le   u nde the   CC  B Y - SA   lic e n se .     C or r e s pon di n g A u t h or :   D ev i k a K .   N .   D e pa r t m e nt  of   E l e c t r oni c s  a nd C om m uni c a t i on  E n gi ne e r i ng   A m r i t a V i s h w a V i d y ap eet h am   A mr ita p u r i,  I n d ia   E ma il:  de vi ka na nda l a l @ gm a i l . c om       1.   I NT RO DUC T I O N   B l oc kc ha i n t ha t  ha s  be e n  f or e s e e n a m ong  r e s e a r c he r s  a s  one  o f  t he  p r om i s i ng a nd  t r e ndi ng  t e c hnol ogy   f or  hum a ni t a r i a n  be ne f i t s .  I t  ha ve  e xpl or e d  i t s  po t e nt i a l  i n  di ve r s e  s e c t or s  na m e l y  he a l t hc a r e ,  s uppl y c ha i n,   lo g is tic s ,   i nt e r ne t  of  t h i ngs   ( I o T s ) ,  A cad em i c   F i e l ds  a nd m a ny  m o r e  i n  a ddi t i on  t o  f i na nc i a l  dom a i n [ 1 ] - [ 5 ] T hi s  di s t r i but e d  l e dge r  f r a m e w or k  ga i ns  i t s  pr e v a l e nc e  ow i ng t o  t he  t r a ns pa r e nc y,  i m m ut a bi l i t y   a nd da t a   i nt e gr i t y t ha t  i t  o f f e r s  t o  e a c h t r a ns a c t i on i nvol ve d  w i t hi n t he  ne t w or [ 6] .  E a c h node  v e r if ie s  th e  tr a n s a c tio n   a f t e r  i t  ge t s  s i gne d t hr ough di gi t a l  s i gna t ur e s .  L e ga l  t r a ns a c t i ons  a f t e r  ve r i f i c a t i on a r e  s t or e d t o  f or m   b l oc ks  i n   t h bl oc kc ha i n .  S i nc e  e ve r y pr oc e e di ng a r e  va l i da t e d t hr ough s i gna t ur e  pr oc e s s  a  s t a nd - a l one  ha r dw a r e  l ogi c   de s i gn t o do t he  p r oc e dur e  c oul d  s pe e d up t he  e nt i r e   bl oc kc ha i sy st e m .   E llip tic   c u r ve  di gi t a l  s i gna t ur e  a l gor i t hm   ( E C D S A )  i s  t he  m os t  c om m onl y  us e d va l i da t i on m e t hod   a m ong a l l  ot he r  s i gna t ur e  t e c hni que s  t o  ve r i f y  t r a ns a c t i ons  i bl oc kc ha i n .  T he  popul a r i t y  of   E C D S A  st e m f r om  i t s  pow e r f ul  a r i t h m e t i c  f r a m e w or k a nd s t r on g s e c ur i t y i n c om pa r i s on t o ot he r  di gi t a l  s i gni ng s c he m e s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA   T el eco m m u n   C om put  E l   C ont r o l         E f f i c i e nt  har dw ar e  pr ot ot y pe  of  E C D SA  m odul e s  f or  bl oc k c hai n appl i c at i ons   ( D evi ka  K .   N .)   1637   R S A  a l gor i t hm  a nd E C D S A  f o r m s  t he  t w o m os t  popul a r  publ i c  ke y c r ypt os ys t e m s  pr e s e nt l y ut i l i z e d f or   c r ypt ogr a phi c  ope r a t i ons .  R S A  i nt r oduc e d b y  R i v e s t ,  S ha m i r  a nd  A dl e m a n  ha ve   i t s  e nc i phe r i ng  s t r e ngt h on   I nt e ge r  f a c t or i z a t i on a nd on t he  c hoi c e  of  ke y - s iz e .  E llip tic   c ur ve  c r ypt ogr a phy  ( E C C )  ha ve  a n uppe r  ha nd i i m pa r t i ng e qui va l e nt  l e ve l  of  s e c ur i t y a s  c om pa r e d t o R S A  w i t h r e a s ona bl e  da t a  pr oc e s s in g  c o s t a n d  s ma lle r   k ey - s i z e .  F or  i ns t a nc e ,  R S A  e nc r ypt i on  f or  1024 - bi t  a nd 160 - bi t  s i z e d E C C  e nc r ypt i on  pr ovi de s  t he  s a m e  l e ve l   o f s e c u ri t y  [7 ].   E CC   i s  a  r obus t  t e c hni que  t ha t  e vol ve d  i nt o  a n i m po r t a nt   r e s e a r c h dom a i n i n   publ i c  ke y     c r ypt ogr a phy   [8 ] ,   [ 9 ] .  M a th e ma tic a l o p e r a tio n s  w ith in   e llip tic  c u r v e s   ar e u t i l i zed  t o  g en er at e k ey   p ai r s  f o r   E C D S A .  R e a liz in g  f a s t a r ith me tic  u n its ,   E C C  p o in t o p e r a tio n s  s u c h  a s  mo d u la r  mu ltip lic a tio n ,  p o in a d d itio n   a nd poi nt  doubl i ng c a n e nha nc e  t he  e f f i c i e nc y of  di gi t a l  s i gna t ur e  a l gor i t hm  ove r   e llip tic  c u r v e s .  S i n ce E C C   t a ke  a dva nt a ge  of  s m a l l e r  pa r a m e t e r s  i n  c ont r a s t  t o di s c r e t e  l oga r i t hm s  a nd ot he r  non - E C  c r ypt og r a phy f a s t e r   c om put a t i ons  a nd s hor t e r  ke y  s i z e  a r e  gua r a nt e e d.   C om put a t i ona l  i ns ol va bi l i t y  of  di s c r e t e  l oga r i t hm  pr obl e m   i e llip tic  c u r v e s   f or m s  t he  m a t he m a t i c a l  f ounda t i on f or  i t s  unbr e a ka bl e  c r ypt og r a phi c  s t r uc t ur e .   E C C  ha ve   be c om e  t he   f a vor i t e  c hoi c e  f o r  a  b r oa d s pe c t r um  of  a ppl i c a t i ons   r a ngi ng  f r om  t he  s e ns or s  t o b l oc kc ha i n due  t o   its  s tr o n g  s e c u r ity  w ith  s ma l l  ke y s i z e  a nd l ow  pow e r  di s s i pa t i on [ 10] .   E C D S A  a r c hi t e c t ur e  c a n be  pr ot ot ype d  e i t he r  i n   s of t w a r e  or  ha r dw a r e  dom a i n.  T h i s  pa pe r  s ol e l t a r ge t s  on t he  ha r dw a r e  i m pl e m e nt a t i on o f  di gi t a l  s i gna t ur e  s t r uc t ur e  i E C C  s i nc e  ha r dw a r e  de s i g n e na bl e s   s p eed y  ex ec ut i on w he n c om pa r e d  t o  i t s  s of t w a r e  c ount e r pa r t .  N e ve r t he l e s s ,  ha r dw a r e  m ode l  of  E C D S A  w i t h   l ow  r e s our c e  ut i l i z a t i on a nd  l ow  l a t e nc i s  qui t e  a  de m a ndi ng t a s k c ons i de r i ng t he  f a c t  t ha t  bot h pa r a m e t e r s   ar e co n t r ad i ct o r y .  T h u s  ar ea - l at en cy  t r ad e - o f f  i s e sse n t i al  t o  ach i ev e g r eat er  ef f i ci en cy .  T h e m ai n  f o c u s  o f  t h i s   r e s e a r c h w or k i s  t o de s i gn f a s t e r  a nd a r e a  e f f i c i e nt  c r ypt ogr a phi c  m odul e s  f o r   E C D S A  f r a m e w o r k.   T hi s   ha r dw a r e  pa r a di gm  c a n be  i nt e gr a t e d w i t h ha r dw a r e  bl oc kc ha i n t o ove r c om e  t he  s e c ur i t y i s s ue s  br o ug ht  i n by   a s o f t w ar e b as ed  d i g i t al  s i g n at u r e.       2.   LI T ER A TU R E R EV I EW   T he  w or k done  i n [ 11]  de l i be r a t e s  a bout  t he  r ol e  of   e llip tic  c u r v e  d ig ita l s ig n a tu r e  a lg o r ith i bl oc kc ha i t r a ns a c t i ons .  D a t a  p r ove na nc e  i s  e ns ur e d t hr ough  t hi s  s i gna t ur e  s c he m e  a nd  t he  pa r t i e s  i nvol ve s ta n d  in  n e e d  to  d e a l  w ith  ma tte r  o f  t r u s t.  D r u g   c ount e r f e i t i ng ,  i t s  e f f e c t s  on  va r i ous  dom a i ns  a nd how   bl oc kc ha i n t e c hni que s  a l ong w i t h E C D S A  c oul d b e  a ppl i e t o c ur b dr ug  f a br i c a t i on  i s  de t a i l e d i n [ 1 2] .   F l a w in   s uppl y   ch ai n   is   t he   f unda m e nt a l   cau s e   f or   dr ug   c ount e r f e i t i ng.   T hi s   wo r k   e xpl a i ns   t he   b en ef i t s   of   bl oc kc ha i to   t r ack ,   d et ect   an d   s af eg u ar d   s uppl y   ch ai n   of   dr ugs .   T he   publ i c   l ed g er   t e c hnol ogy   r eco r d s   t he   dr ug   c ons t i t ue nt s   a l ong   w ith   its   uni que   s er i al   num be r s   fro m   pr oduc e r s   to   c ons um e r s .   S i n ce   e n tir e   t r an s act i o n s   ar e   d ig ita lly   s i gn e an d   am en d ed   in   t he   d is tr ib u te d   l ed g er   ev en   a   s l i ght   mo d if ic a tio n   in   an y   pha s e   an d   f r a udul e nt   in d iv id u a ls   c oul d   be   r eco g n i zed .   N y am e t a l.   [ 13]   p r opos e a dopt s   E CD S A   to   e s ta b lis h   a   vi a bl e   an d   ef f ect i v e   cl i en t   v e r if ic a tio n   an d   a ppr ova l   pr ot oc ol  f o r  m a na gi ng know l e dge  t r a ns m i s s i ons  i r ol e - b as ed  acc e s s  co n t r o l   ( R B A C ) D ig ita s i gna t ur e   a l gor i t hm  c on tr ib u te s  to  b u ild  a  tr u s tw o r -   t hy m e c ha ni s m  t o  ve r i f y us e r s  pr i o r   t o s ha r e ,  e xc ha nge  a nd  s t or i ng i nf o r m a t i on  i n  t he  know l e dge  r e pos i t or y .   S ys t e m  m ode l  p r opos e d m a ke  us e  of   bl oc kc ha i t o e ns ur e   tr a n s p a r e n c y  a n d  immu ta b ility  in  a ll   ex ch an g e s  p er f o r m ed   a m ong  en t i t i es .  T h er ef o r e,  t h e act i o n  o n ce co m m i t t ed   c a n ne ve r  be  di vi de d  a s  t he y  a r e  i nt e r l i nke d.  K no w l e dge   m an ag em en t   sy st e m s   ( K MS )   is   a   f unc t i on - o r i e nt e d at a   sy st e m   in   w h i ch   u se r   g en er at es ,   sh a r e   a nd  r e s e r ve  know l e dge  t o  e nha nc e  pe r f or m a nc e  of  a n     or ga ni z a t i on [ 14 ] ,   [ 15] .   A u th e n tic ity  o f  th e  in f o r ma tio n  t r a n s mitte d  in   car  t o  i n f r as t r u ct u r e s y s t em  ( C I T S )  i s  of  s upr e m e     im - por t a nc e  t o c ur b t he  i nf l ue nc e  of  pr i or i t y  ve hi c l e s  on t r a f f i c  f l ow  a nd t r a f f i c  l i ght s .   I n t he  w or k de m o ns t r a t e i n [ 16]   de ve l ops   E C DS s i gna t ur e  s c he m e  w i t h l ow  l a t e nc y a nd hi gh t hr oughput  w i t h a n a bi l i t y  t o a ut he nt i c a t e   a bout  2700 ve r i f i c a t i on  pe r   s e c ond.   P ip e lin e   ar ch i t ect u r e   t h at   m ak es   u se   of   car r y   l ook   ah ead   ad d er   an d   l ong   wo r d   s u mma tio n s   is   a dopt e d i n   [ 17]   to   ha ndl e   gr oup   o pe r a t i ons   in   E C DS A.   FPG A   b as ed   ar ch i t ect u r e   to   p e rfo rm   ma th e ma tic a l o p e r a tio n s   r eq u i r ed   by   E CC   p r imitiv e s   i s  pr e s e nt e d i [ 18]  w hi l e  t he  w or k  done  i n  [ 19 ]   el ab o r at es   on   E CC   e nc r ypt i on   an d   s ugge s t   a   t e c hni que   t o   s e g m e nt  or i gi na l  m e s s a ge  i nt o di gi t a l  bl oc k  c ode s  a nd t o m a p  i t   s e q u e n tia lly  in to  s p e c if ic  p o in ts  in  e llip tic  c u r v e .   Ho w ev er ,   de t a i l s  on t he  i m pl e m e nt a t i on of   t he  p r opos e d   s ys t e m  i s  not  pr ovi de d but  t he  w or k i ng pr i nc i pl e     r e ga r di ng t he  e xe c ut i on of  E C C  a l go r i t hm  i s   i l l us t r a t e d.   A   nove l   m a ppi ng   m e t hod   is   a dopt e d   in   [ 20]   to   co n v er t   une nc r ypt e d   t ex t   in to   c or r e s pondi ng   A m er i can   S t an da r d C ode  f or  I n f or m a t i on  I nt e r c ha nge  ( A S C I I )   v al u es   an d   t h en   tr a n s la te   in to   its   h ex ad eci m al   eq u i v al en t .   T hi s   t wo - p h a se   c onve r s i on   c ont r i but e s   to   s ecu r e   m e s s a ge  e nc r ypt i on us i ng E C C  s i nc e  c i phe r   i nput  c ons i de r s   h ex ad eci m al  v al u e i n   r ev er s e o r d er .   T he or e t i c a l  a s pe c t s  of  E C C  a r e  di s c us s e d i n [ 21] .  T hi s  pa pe r   c onve r s e   a b o u t th e  k e y  p r in c ip le s  a n d  d e s ig n  s tr a te g ie s  to   i mp le me n t a r ith me tic   ope r a t i ons   in   E CC.   A r ea   r ed u ct i o n   in   E CC   ar ch i t ect u r e   is   ach i ev ed   in   [ 22]   by   m ean s   of   M ont gom e r l a dde r  a l gor i t hm .   R e duc e d c om pl e xi t a nd s hi f t   ope r a t i on i n  pl a c e  of  di vi s i on  e nha nc e s  c om put a t i ona l  s pe e d a nd a dd  a r e a  c om pa c t ne s s  t t he  s ugge s t e d   pr ot ot ype .  N ove l  a r c hi t e c t ur e s  of   e llip tic   c ur ve  op e r a t i ons  on t w i s t e d E dw a r ds   cu r v f o r  256 - bi t  ke [ 23]  a nd   hybr i d pi pe l i ne   t e c hni que  a l ong w i t h M ont gom e r y  l a dde r  a l gor i t hm  i s  a dopt e d i n [ 24 ]  t o a c hi e ve  hi g h s pe e d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                       I SSN :   1693 - 6930   T E L KOM NI KA   T el eco m m u n   C om put  E l   C ont r o l Vo l .   19 , N o 5 O c t obe r  2021:    1636  -   1647   1638     b in a r y  f ie ld  p o in t  mu ltip lic a tio n .     P a r a lle lis i E C C  gr oup ope r a t i ons   i s  e xpl oi t e d i n  [ 25]   t o  br i ng   out  hi gh   s pe e d a nd l e s s  c om pl e x poi nt  m ul t i pl i c a t i on   h a r d w ar e.     2. 1.    C on t r i b u t i on s   In   th is   w or k,   h ar d w ar e   imp le me n ta tio n   of   ar ea   an d   s p eed   ef f i ci en t   r e c onf i gur a bl e   E CD S A   ar ch i t ect u r e   f or  ve r i f i c a t i on of   b l oc kc ha i t r a ns a c t i ons  i s  pr opos e d.  M a i n obj e c t i ve  of  t he  r e s e a r c h i s  t opt i m i z e   c om pu ta tio n a lly  in tr ic a te  o p e r a t io n s   s u c h  a s  mu lt ip lic a tiv e  in v e r s e ,  mo d u la r  mu ltip lic a tio n  a n d  f in ite  f ie ld   ope r a t i ons  t o e ns ur e  hi gh  pe r f o r m i ng  E C D S A  f r a m e w or k f or  a ppl i c a t i ons  t ha t  ut i l i z e s  bl oc kc ha i n t e c hnol ogy.   T h i p ap er   pr opos e s   a   nove l   m e t hodol ogy   to   u nr a ve l   t he   c o mp le x ity   of   f in ite   f ie ld   ope r a t i ons   by   imp l e me n tin g   s imp le   a nd  h ig h ly  e f f ic ie n t a r ith me tic  u n its   th a t f o r ms  th e  b u ild in g  b lo c k s  o f   E C DS A.   S i gni f i c a nt  c ont r i bu t i ons  put   f or w a r d  by t hi s  pa pe r  c a n be  out l i ne d  a s  gi ve n:     A n e f f i c i e nt  pr ot ot ype  f or   e l l i pt i c  c ur ve  c r ypt ogr a p hy ba s e d s i gna t ur e   ge ne r a t i on  a nd  v er i f i cat i o n   h as  b een   pr opos e d t o a t t a i n be t t e r  pe r f o r m a nc e  i t e r m s  of  s pe e d a nd a r e a   ove r he a d.     N ove l  a r c hi t e c t ur e  f o r  m odul a r  m ul t i pl i c a t i on us i ng c ount e r  m e c ha ni s m  i s  a dopt e t o opt i m i z e   r es o u r ce  ut i l i z a t i on a nd ope r a t i ona l  f r e que nc y i n  E C C   f i ni t e  f i e l d   ope r a t i ons .     N e w  ha r dw a r e  de s i gn  i s  i n t r oduc e f or  m odul a r   i nve r s i on t o  a l l e vi a t e   t he  c om put a t i ona l  c om pl e xi t y of   mu ltip lic a tiv e  in v e r s e   a l gor i t hm .     E ve r y a r i t hm e t i c   m odul e  i nc l udi ng  m odul a r  m ul t i pl i c a t i on,  m odul a r  i nve r s i o n,   m odul a r  s qua r i ng a nd  g r oup  ope r a t i ons  t ha t  f or m s  t he  di gi t a l  s i gna t ur e  c i r c ui t   i s  de s i gne d t o  be   r e c onf i gur a bl e  a nd  f l e xi bl e  e nou gh t o   ha ndl e  a ny bi t - si z e   v al u es .     A ddi t i ona l l y,  ha r dw a r e  r e s our c e  c ons um pt i on a nd   ope r a t i ng f r e que nc y o f  t he  pr opos e E C C  a r ch i t ect u r es   a r e  be t t e r  i n  c om pa r i s on t o  r e l a t e d w or ks  w hi c h  a s s ur e s  i m pr ove d pe r f or m a nc e  of  a l l  t he  de s i gns  pr opos e d.   T h e   r e s t o f  th e  p a p e r  is   f o r mu la te d  a s  f o llo w s f u nda m e nt a l s  of  e l l i pt i c  c u r ve  c r yp t ogr a phy   a nd t he   s t e ps  i nvol ve d i n E C D S A  a l gor i t hm  i s  s u mma r iz e d  in  s e c tio n   2.   S ect i o n   3   di s c us s e s   a bout  t he  pr opos e h ar d w ar e   ar ch i t ect u r es   f or   m odul a r   mu ltip lic a ti o n ,   m odul a r   i nve r s i on   an d   gr oup   ope r a t i ons   in   E CC.   I mp le me n ta tio n   r e s u lts   of   t he   de s i gne d   EC C   pr ot ot ype s   ar e   co n f er r ed   in   s ect i o n   4 .   S ect i o n   5   hi ghl i ght s   t he   c om pa r i s on r e s ul t s   of   t he   p r opos e d   de s i gns   w ith   e xi s t i ng   w or ks .   S ect i o n   6   c onc l ude s   t he   p ap er   a l ong   w it h   fu t u re   s c ope   of   t h e r es ear ch   w or k.       3.   F UNDA M E NT AL S   O F  ELLI P T I C   CUR VE   CR YP T O G RAP H Y   3. 1.      B a si c   co n cep t s  o f  el l i p t i c cu rv c r yp t ogr ap h y   T he  ne e d f or  s t r ong s e c ur i t y a nd i m p r ove d ba ndw i dt h i n t he  a r e a  of  c om m uni c a t i on ur ge d  t w o   sc i e n tis ts  n a me d  V ic to r  M ille r  a n d  K o b litz  to  in tr o d u c e   e llip tic  c u r v e s   i nt t he  w or l d  of  c r ypt og r a phy  i n  1985.   T h e o b j ect i v e o f  E C C  i s   t o  i n cr eas e t h ma th e ma t ic a l c o mp le x ity  o f  D is c r e te  L o g a r ith m p r o b le m th r o u g h  its   tr a n s la tio n   to   e ll ip tic   cu r v es .   B es i d es   e nc r ypt i on   an d   de c r ypt i on   E CC   a l so   r eal i zes   k ey   e xc ha nge   s ch em es   a nd  d ig ita l s ig n a tu r e s .  I n   E C C  imp le me n ta tio n  s imp le  e n c r y p tio n  a lg o r i th m  is  ma p p e d  t o  r e lia b le   e llip t ic   cu r v e.   T h er ef o r e,   t he   el em en t ar y   ope r a t i ons   su c h   as   m odul a r   a ddi t i on   an d   m odul a r   mu ltip lic a tio n   as   in   RS A   t ur ns   in to   poi nt  a ddi t i on a nd  poi nt  m u l t i pl i c a t i on  r e s pe c t i ve l y i n t hi s  ne w  f or m  of  publ i c  ke y   c r ypt og r a phy.   Wei er s t r as s  el l i p t i c cu r v e eq u at i o n  f o r  a p r i m e f i el d   F p   (p > 3)  i s  gi ve n by  t he  f o r m :     E:   y 2   x 3   ax   +   b                   ( 1)     f or  c ons t a nt  pa r a m e t e r s  a  a nd b w he n  t he  s pe c i f i c  c ondi t i on 4 a 2 +2 7 b 3 = 0   is  s a tis f ie d  [ 2 6 ] [ 27] .   I f  t w o  poi nt s  on  t he  c ur ve  a r e  r e pr e s e nt e d a s   A   ( x 1 , y 1 )  a n B   ( x 2 , y 2 ) ,   t he n E C C  ope r a t i on  know n a s   poi nt  a ddi t i on  r e s ul t s  i n a not he r  po i nt   C   ( x 3 , y 3 )  o n   t h e cu r v e w h er e C =A +B  w h i ch  can  b e cal cu l at ed  a s :     x 3   =   m 2     x 1     x 2                   ( 2)     y 3   =   m   ( x 1     x 3 )     y 1                 ( 3)     w h er e m  =  2 1 2 1   gi ve s  t he  s l ope  of  t he  l i ne  be t w e e n A  a nd B .   A ddi t i on o f  s a m e  poi nt s  A   ( x 1 , y 1 )  to  i ts e lf   r e s u lts  in  C  ( x 3 , y 3 )  on  t he  c ur ve   t hr ough  a not he r  gr oup   ope r a t i on   c a l l e d poi nt  doubl i ng w he r e  C = A + A = 2 A  i s  c om put e d a s  f ol l ow s :     x 3   m 2     2 x 1                   (4 )     y 3   =   m   ( x 1     x 3 )     y 1                 (5 )     w h er e m  =   3 2 + 2 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA   T el eco m m u n   C om put  E l   C ont r o l         E f f i c i e nt  har dw ar e  pr ot ot y pe  of  E C D SA  m odul e s  f or  bl oc k c hai n appl i c at i ons   ( D evi ka  K .   N .)   1639   T he  a bove  e qua t i ons  de m a nd a r i t h m e t i c  ope r a t i ons  s uc h a s  a ddi t i on,  s ubt r a c t i on a nd  m odul o   m ul t i pl i c a t i on.  C om put i ng t he  s l ope  of  t he  c ur ve  ’ m  ne c e s s i t a t e s  ha r dw a r e  pr ot ot ype  f or  m odul a r   mu ltip lic a tiv e  in v e r s e .   S i nc e  m odul o - p m ul t i pl i c a t i on a nd i nve r s i on a r e   ex ecu t ed  i n   th e   p r ime  f ie ld  F p ,   la tte r   b eco m es   t oo c os t l y t o a f f o r d w i t h  r e s pe c t  t o pe r f or m a nc e  a nd r e s our c e s  i n c om pa r i s on w i t t he  f o r m e r .     3. 2.    S t e p s  f o r  E CDS s i gn at u r e  ge n e r at i on  an d   v eri f i ca t i o n   S e nde r  A  us e s  hi s  pr i va t e  ke d A   t o  s i g n  t h m es s ag e M  t o  b e s en t  t o  t h e  r ecei v er  B .   H er e t h e m es s ag pr ovi de d c a n be  o f  a ny bi t s i z e .   T h k ey  v al u es  ar p r ed ef i n ed   by t he  s e nde r  pr i or  t o  t r a ns m i s s i on.     3. 2. 1.   S t e ps  unde r   s i gn at u r e   g en era t i o n     H a sh   of   t he   m e ssa g e   M   is   cal cu l at ed   to   g et   Z.   T y p i cal l y   t he   h a sh   f unc t i on   ap p l i ed   is   S HA - 1.  Z   =   h a sh ( M)     S e l e c t  a  r a ndom  va l ue  K  w i t hi n  t he   r a nge  [ 1,   n - 1] .     C om put e  c o - or di na t e  ( 1 y 1 =  kG  w he r e  G  i s  t he  ba s e   poi nt .     D et er m i n e r  =  x   1   m od     n .     C om put e  S  =  K   - 1   ( z +   d A r)  m od   n .     I f   r  =  0  a nd s  =  0,  go f o r  a  ne w  r a ndom  va l ue   ’k ’.     S i gna t ur e  pa i r   g en er at ed  i s   (r, s ) .   A f t e r  E C D S A  s i gna t ur e  ge ne r a t i on,  A  t r a ns m i t s  s i gne d m e s s a g e  t o B .  B  pos s e s s  A s  publ i c  ke y Q A .  B  v al i d at es   t he  a ut hor s hi p of  t r a ns a c t i on t hr ough  ve r i f i c a t i on.     3. 2. 2.   S t ep s  f o s i gn at u r e   v eri f i ca t i o n     C e r tif ie s  r  a n d  s  lie s  in  th e   r an g e [ 1 ,  n - 1 ].     C om put e   W  = s −1   m od   n .     C al cu l at u 1   Zw   m od  n   w h er Z  i s  t h e  h as h  o f  m es s ag e M .     C al cu l at u 2   = r w   m od  n .     C om put e  c o - or di na t e s   (x 2 , y 2 )  = u 1 G +  u 2 Q A .     I f  x 2  = r  s i g n at u r e i s  v er i f i ed  an d  v al i d at ed  el s e i t  i s  r ej ect ed  o r  co n s i d er ed   in v a lid .       4.   P RO P O S E D H ARDW ARE  I M P L E M E NT AT I O N O F  E CDS A M O DUL E S   4. 1.    M od u l ar  m u l t i p l i c at i o n   M o d u la r  mu ltip lic a tio n  c o n s titu te s  o n e  a mo n g  th e  mo s t time  in te n s iv e  ma th e ma tic a l o p e r a tio n s  in   el l i pt i c  c u r ve  c r ypt og r a phy  ove r  a  f i ni t e  f i e l d .  A do pt i on of  e f f i c i e nt   a l gor i t hm s  s uc h a s   Mo n t gom e r y ,  r e s i due   num be r  s ys t e m   ( R N S )  or  i nt e r l e a ve d m odul a r  m ul t i pl i c a t i on  c a n i m p r ove  t he  l a t e nc y a nd  s p eed   of   c om put a t i ona l  pr oc e s s  [ 28 ] - [ 34] .  H ow e ve r ,  M ont gom e r y t e c hni que  ne e ds  e xt r a  pr oc e s s i ng ope r a t i ons  t co n s t r ai n   v a lu e s  w ith in  th e  s p e c if ie d  f in ite  f ie ld .  R N S  mu ltip lic a tio n  s c h e me  r e s u lts  in  s ig n if ic a n t a r e a  o v e r h e a d   a nd  pow e r   c ons um pt i on  t i m pl e m e nt  i t s  ha r dw a r e  c ount e r pa r t  [ 35] ,  [ 36] .  H e nc e  t o  r e duc e  t he  a r e a  o ve r he a d   as  w el l   as   t o i m pr ove  t he  pe r f or m a nc e  i t e r m s   of   s pe e d,  m odul a r  m ul t i pl i e r  us i ng c ount e r  m e c ha ni s m  i s   de s i gne d a nd a dopt e d.   M o d u la r  mu ltip lic a tio n  o f  tw o  N - bi t  va l ue s  A  a nd  B  ove r  pr i m e  f i e l d  G F ( q)  i s  gi ve n by  t he   f or m ul a :     M =   AB   m od   q                   ( 6)     =   {b n− 1 (2 n− 1 A )   +   b n− 2 (2 n− 2 A )   +   .. .. .. .   +   b 1 (2 1 A )   +   b 0 A}         ( 7)     =   {   ( 2 1 = 0 )   m od   q}               ( 8)     F i gur e   1   illu s tr a te s   t he   f l o w ch ar t   of   pr opos e d   m odu l a r   mu ltip lic a tio n   ci r cu i t   us i ng   c ount e r   m ech an i s m .   In   th is   t e c hni que ,   l ef t   s h i ft   r eg i s t er   s h if ts   t he   va l ue   st o r e d   in   r eg   P   by   one   bi t   f or   ev er y   i t h   bi t   of   m u ltip lie r   B .  Wh en ev er   B i   i s  one  a c c um ul a t or  a dds  t he  out put  va l ue  of  s hi f t   r e gi s t e r  a l ong w i t h  m ul t i pl i c a nd A  a nd s t or e s   t he  r e s ul t  i r e F.   V al u e   s t o r ed  i n  r eg   F  a f t e r   N  i t e r a t i ons  f or m s  t he  f i na l  p r oduc t  of  A  a nd  B   af t er   mu ltip lic a tio n .   T o pe r f or m   m odul o ope r a t i on t he  c ont e nt  of  r e g G   i s  r e pe a t e dl y s ubt r a c t e d by pr i m e   va l ue  ‘ q’   unt i l  t he  di f f e r e nc e  be c om e  l e s s  t ha n i nput  ’ q’ .  T he  m odul e  m a ke  us e  of  t hr e e  m ul t i p l ex er s  w h er th e  f ir s t   m u c he c ks  e a c h bi t  of  B   f or  1  a nd i f  t he  c ondi t i on  i s  s a t i s f i e d i t  e na bl e s  r e gi s t e r   F  t o  s t or e  t he  s um  of   A   an d   accu m u l at o r   c ont e nt   or   e l se   r et ai n s   t he   accu m u l at o r   va l ue .  T he   ot h e r   t wo   m uxe s   ai d s   t o  pe r f o r m  m odul o   ope r a t i on.  I n  t h e  pr opos e d f r a m e w or k  N - b it in p u t r e q u ir e s  ’ N  c lo c k  c y c le s  to  c o mp le te  mo d u la r  mu lt ip lic a tio n .   S am e   s t r uc t ur e   wo r k   as   s qua r i ng   ci r cu i t   w h en   i d en t i cal   i nput s   ar e   co n s i d er ed   as   bot h   mu lti p lie r  a n d   mu ltip lic a n d .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                       I SSN :   1693 - 6930   T E L KOM NI KA   T el eco m m u n   C om put  E l   C ont r o l Vo l .   19 , N o 5 O c t obe r  2021:    1636  -   1647   1640       F i gur e  1.  P r opos e m odu l a r   m ul t i pl i c a t i on us i ng c ount e r  m e c ha ni s m       4. 2.    M od u l ar  m u l t i p l i c at i ve  i n ve r s e   I n num be r  t he or m ul t i pl i c a t i ve  i nve r s e  of  a n  i nt e g e r  A  i s  s a i d t o  be  B   i f  a nd  onl y i f  t he  pr oduc t  of  A   a nd B  i s  c ongr ue nt   t o 1  i n  r e s pe c t  o f   m odul us  N  [ 37] .  A s  pe r  t he  c onve nt i o na l  a nnot a t i on ,  t he  c ongr ue nc y of   i nve r s e  f unc t i on i s  gi ve n  by t he   f or m ul a :     AB    1   m od   N                   ( 9)     M u ltip lic a tiv e   i nve r s e   ope r a t i on   c o n s titu te s   t he   m o st   r es o u r ce   i nt e ns i ve   an d   time - c ons um i ng  ar i t h m et i c p r o ces s   in   E CC.   It   is   a   m a nda t or y   act i o n   unde r t a ke n   in   poi n t   a ddi t i on   an d   po i nt   doubl i ng   to   cal cu l at e   t he   s l ope   of  t he  c ur ve .   S e v e r a l a lg o r ith ms  c u r r e n tly  e x is t to  a id  th e  m a th e ma tic a l c o mp u ta tio n  o f  mo d u la r   i nve r s i on  [3 8 ] - [ 41] .   N one t he l e s s ,  t he  E xt e nde d E uc l i de a n m e t hod  e s t a bl i s h t he  s i m pl e  a nd  ef f ect u al  ap p r o ach  t o  d o   so .   T he  s t e ps  i nvol ve d i n E xt e nde d E uc l i de a n a l go r i t hm  f or  i npu t s  A ,  p a nd ou t put  Z  =   a 1   m od  i s u m m ar i zed  b el o w :       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA   T el eco m m u n   C om put  E l   C ont r o l         E f f i c i e nt  har dw ar e  pr ot ot y pe  of  E C D SA  m odul e s  f or  bl oc k c hai n appl i c at i ons   ( D evi ka  K .   N .)   1641   F i gur e  2 de t a i l s  t he  s e que nc e  of  a r i t hm e t i c  ope r a t i ons  i nvol ve d i n t he  i nve r s i on ope r a t i on.  T he     pr o -   po s e d de s i gn e m pl oys  m ul t i pl i e r  us i ng c ount e r  m e t hod a nd ba s i c  a r i t hm e t i c  c i r c ui t s  t o opt i m i z e   h ar d w ar e   r es o u r ce   u tiliz a tio n .   N - bi t   i nput s   ar e   in itia lly   s t o r ed   in   r eg   A   an d   r eg   B   r es p ect i v el y .   O ut put   of   r eg   B   is   de not e a va l B   w h ile  r e g is te r  R  d e liv e r s   va l r D i vi de r  c i r c ui t  t a ke s  i n A  a nd B  a nd pr ovi de  quot i e nt  ’ q’  a s  t h e  out put   w h i ch   is   ev en t u al l y   st o r e d   in   r eg   q.   S imila r ly ,   r em ai n d er   c om put a t i on   dur i ng   di vi s i on   is   ex ecu t ed   us i ng   m odul ci r cu i t   to   g et   va l r .   T wo   v al u es   w ith in   r eg   B’   an d   re g   r’   ar e   co m p ar ed .   If   va l B   is   g r eat er   t h an   va l r ,   co n t en t   of   r eg  A   is   r ep l aced   w ith   t h at   of   r eg   B   an d   la tte r   is   o ccu p i ed   w ith   va l r .   C om put a t i on   of   quot i e nt   an d   r e m ai n d er   us i ng a bove  c ondi t i on c ont i nue s  unt i l   va l r   is  0 .   T h is  d e te r min e s  th e  n u mb e r  o f  ite r a tio n s  to  c a lc u la te  th e  in v e r s e   of  A   w ith   r es p ect   to   B.   Re g   P   is   in itia liz e d   w ith   1.   P r e vi ous   c ont e nt   w i th in   r eg   P   P [ c t r]   is   mu ltip lie d   w ith   quot i e nt   v al u e ‘ q   f o r  each  i t e r at i o n  an d  s u b t r act ed  f r o m   t h e p r ev i o u s  v al u e  s t o r ed  i n  P [ ct r +1 ]  w h er ct r  i n d i cat es  t h e   i t e r a t i on va l ue .  T he   f i na l   r e s ul t  i s  s t or e d i n  r e Z  c or r e s pondi ng t o R [ c t r ]  be i ng   1.           F i gur e  2.  P r opos e a r ch i t ec tu r e  f o r  mu lt ip lic a tiv e   i n v er s e ci r cu i t       4 . 3 .    E l l i p t i c cu rv e f i el d  o p era t i o n s   E l l i pt i c  c ur ve  f i e l d  ope r a t i ons  m a i nl y  c om p r i s e  of  poi nt  a ddi t i on  a nd  poi nt  doubl i ng  t ha t  a r e     p er - f o r me d  f o r  d e f in ite  c o n s e c u tiv e  s ta g e s  to  e x e c u te  e llip tic  c u r v e  mu ltip l ic a tio n  th a t  f o r ms  th e  c r itic a l   ope r a t i on i n   E CC.   If   P   an d   Q   ar e   t wo   poi nt s   on   a   gi v e n   e llip tic   c ur ve   so   t h at   k P =Q ,   t h en   c om put a t i on   of   k’   is   in f e a s ib le   e ve n i f  pr ov i de d w i t P  a nd Q  w he n k i s   s i gni f i c a nt l y l a r ge .  H e r e  ‘ k  i s  t he  s c a l a r  va l ue  t ha t   t ur ns  out   t o be  t he  di s c r e t e  l oga r i t hm  of  Q   f or  ba s e   P   F i g ur e s   3 a nd 4 por t r a ys  t he  s e r i e s   of  a r i t hm e t i c  ope r a t i ons  i nvol ve i n pr opos e d a r c hi t e c t ur e s  of  poi nt  a ddi t i on a nd po i nt  doubl i ng   r es p ect i v el y .   P r opos e d a r c hi t e c t ur e  f or  poi nt  a ddi t i on  r e qui r e s  2M + 2S + 1i nve r s i on ope r a t i ons  w hi l e  poi nt  doubl i ng  ne e ds  3M + 1S + 1i nve r s i on.  T o  a c hi e ve  opt i m i z e d   p er f o r m an ce i n  t er m s  o f  ar ea,  s p eed  an d   l at en cy   t h e s u b - m o d u l e s t r u ct u r es  ar e ef f i ci en t l y  d es i g n ed  an d  ef f ect i v el y  act i v at ed  at  r eq u i r ed  s t ag es .  M u l t i p l i cat i o n  an d   s qua r i ng ope r a t i ons  ha ve  a  l a t e nc y of  N + 1 c l oc k c yc l e s .   P o in t mu ltip lic a tio n  c o n s titu te s  a  s e r ie s  o f  f ie ld  o p e r a tio n s  a s  p e r  th e  b in a r y  p a tte r n  o f  s c a la r   k’  a n t he  pr opos e d s t r uc t ur e  f or  E C C  m ul t i pl i c a t i on  i s  de pi c t e d i n F i gur e  5.   D oubl e  a nd a dd ( le f t to  r ig h t )  a lg o r ith m is   t he  s i m pl e s t  m e t hod t o e xe c ut e  poi n t mu l tip lic a tio n  w h e r e in   poi nt  doubl i ng i s  pe r f or m e f or  e a c h bi t  va l ue  of   k’  w hi l e  poi nt  a ddi t i on  f unc t i ons  onl y  w he i t h   bi t  of   k’  i s  1 ove r  a  p r i m e  f i e l d   P.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                       I SSN :   1693 - 6930   T E L KOM NI KA   T el eco m m u n   C om put  E l   C ont r o l Vo l .   19 , N o 5 O c t obe r  2021:    1636  -   1647   1642         F i gur e  3.  F l ow c ha r t  of  va r i ous  ope r a t i ons   pe r f or m e d i n  t he  p r opos e d de s i gn of  poi n t  a ddi tio n     F i gur e  4.  F l ow c ha r t  of  va r i ous  ope r a t i ons   pe r f or m e d i n  t he  p r opos e d de s i gn of   poi n t   doubl i n g           F i gur e  5.  P r opos e d a r c hi t e c t ur e  of  poi nt   m ul t i pl i c a t i on   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA   T el eco m m u n   C om put  E l   C ont r o l         E f f i c i e nt  har dw ar e  pr ot ot y pe  of  E C D SA  m odul e s  f or  bl oc k c hai n appl i c at i ons   ( D evi ka  K .   N .)   1643           5.   I M P LEM E N TA T I O N  R ES U LTS   E f f i ci en t   H ar d w ar e   ar ch i t ect u r es   s ugge s t e d   f or   ev er y   m at h em at i cal   p r o ces s   in   E CD S A   ha ve   b e en   m od e l l e d us i ng ha r dw a r e  pr ogr a m m i ng  l a ngua ge  k now n a s  ve r i l og.  M ode l s i m  s i m ul a t or  w a s  ut i l i z e t o ve r i f y   t he  f unc t i ona l i t i e s  of  t he  de s i gne d s t r uc t ur e s .   E v e r y m odul e  pr opos e d a r e  s ynt he s i z e d a nd i m pl e m e nt e d i Xi l i nx   V ir te x   7 F P G A  a nd t he  de vi c e  c hos e n i s  xc 7 v2000t - 2f l g1925 i n X i l i nx  I S E  14. 7  de s i gn s ui t e .   T he  r e s ul t s   obt a i ne d   af t er   imp le me n ta tio n   of   bui l di ng   bl oc ks   m odul a r   mu ltip lic a tio n ,   m odul a r   mu ltip lic a tiv e   i nve r s e     pr ot o -   t ype s   f or   va r i ous   bi t - si z e   ar e   en cap s u l at ed   in   T ab l e s   1   an d   2   r es p ect i v el y   an d   ot he r   de s i gns   r e s u lts   ar e   r ep r es en t ed  g r ap h i cal l y .   U s i ng t he  m e nt i one d V i r t e x - 7 F P G A ,  t he   r e s ul t s  l i s t e d s how s  t ha t  a l l  s t r uc t ur e s  s ugge s t e d w or ks   at   an   a ve r a ge  f r e que nc y of  137   M H z f o r  a b i t - l e ngt of  256 bi t s .   I f   t he  s i z e  of  N  i s  t a ke n t o be  256 ,   m odul a r   m ul t i pl i c a t i on c ons um e d onl y 141  s l i c e s  on t he   ot he r  h a n d  ma th e ma tic a lly   in tr ic a te  mu l tip lic a tiv e  in v e r s e     ex - pe nde d   a bout   900   sl i c e s.   E CC   G r oup   ope r a t i on s   su c h   as   poi nt   a ddi t i on   m ad e   u se   of   1321   at   t he   sa m e   time   1385 s l i c e s   w er e   t ak en   ove r   f or   po i nt   doubl i ng.   A r ea   c ons um pt i on   f or   poi nt   mu ltip lic a tio n ,   s i gna t ur e   ge ne r a t i on   a nd ve r i f i c a t i on w e r e  f ound  t o be  6030 ,  6924  a nd  21055 s l i c e s   r es p ect i v el y .       T a bl e  1.  S ynt he s i s  r e s ul t s  of   m odu l a r   mu lt ip lic a tio n  u s in g  X ilin x   I S E  d e s ig n  s u ite   B it - s iz e   # R e g is te r s   # LU T s   # LU T - FF   p a i rs   # IO B s   A re a   ( S lic e s )   S p eed   (M h z )   24   101   140   79   98   13   384.20   32   134   183   104   130   17   366.77   64   263   357   200   258   33   295.29   86   351   478   266   346   44   260.47   103   419   570   318   414   53   238.24   142   576   770   450   570   72   200.20   160   648   867   491   642   81   186.35   163   660   880   492   654   83   184   192   776   1035   541   770   97   165.94   224   904   1198   549   898   113   149.577   256   1123   1305   592   1014   141   136.59       T a bl e  2.  S ynt he s i s  r e s ul t s  of   m odu l a r   mu lt ip lic a tiv e  in v e r s e  in  X ilin x  I S E  d e s ig n  s u ite   B it - s iz e   # R e g is te r s   # LU T s   # LU T - FF   p a i rs   # IO B s   A re a   ( S lic e s )   S p eed   (M h z )   24   689   1743   589   74   87   264.53   32   911   2318   779   98   114   250.33   64   1809   4500   1593   194   226   231.30   86   2426   6024   2077   260   304   214.97   103   2897   7335   2523   311   362   205.62   142   3995   10060   3422   428   500   185.62   160   4500   11220   3908   482   563   177.44   163   4584   11417   3925   491   573   176.18   192   5395   13327   4622   578   675   164.49   224   6305   14349   5619   674   788   145.87   256   7201   16388   6365   770   900   137.22   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                       I SSN :   1693 - 6930   T E L KOM NI KA   T el eco m m u n   C om put  E l   C ont r o l Vo l .   19 , N o 5 O c t obe r  2021:    1636  -   1647   1644   6.   P E RF O RM ANCE  CO M P ARI S O N W I T H  E XI S T I NG  W O RK S   V a r i ous   w or ks   ha ve   b een   publ i s he d   an d   is   s till   ong oi ng   w ith   r eg ar d   to   t he   h ar d w ar e   i mp le me n ta tio n   o f d i ffe re n t   E CD S A   m odul e s   su c h   as   m odul a r   mu ltip lic a tio n ,   M odul a r   mu lt ip lic a tiv e   i nve r s e ,   P oi nt   m ul t i pl i c a t i on a nd  E C D S A  s i gna t ur e  ge ne r a t i o n a nd ve r i f i c a t i on.   T ab l 3  d i s p l ay s  t h e p er f o r m an ce  c om pa r i s on r e s ul t s  of  va r i ous  pr opos e d a r c hi t e c t u r e s  w i t h t he  s i m i l a r  e xi s t i ng w or ks  ove r  G F  ( 256) .  I t  i s   i nde e d a  c ha l l e ngi ng  e ffo rt   t o  o p t i m i ze t h e h ar d w ar r es o u r ce u s ag e an d  at  t h e s am e t i m e  t o  at t ai n  h i g h   f r e que nc y of  ope r a t i on  s i nc e   bot p er f o r m an ce  p ar am et er s  ar e co n t r ad i ct i n g  w h en  i t  co m es  t o  F P G A  b as ed   imp le me n ta tio n s .  I n  th is  w o r k ,  a   tr a d e - of f  i s  m a i nt a i ne d be t w e e n a r e a  a nd s pe e d i n c om pa r i s on t o ot he r   r el at ed   de s i gns .       T a bl e  3.  P e r f o r m a nc e  c om pa r i s on of  t he  va r i ous  pr opos e d a r c hi t e c t ur e s  w i t h e xi s t i ng w or ks  ove r  G F   ( 256)   W o rk   P l a t fo rm   R ep o r t ed  A r ea ( s l i ces )   F r e que nc y ( M hz )   M o d u la r  M u ltip lic a tio n   T hi s  w or k   V ir te x - 7   1305   136. 59   [ 30]   V ir te x - 7   1400( L U T s )   134. 7   [ 30]   V ir te x - 5   2259( L U T s )   110. 5   [ 31]   V ir te x - 6   23977( L U T s )   40. 1   [ 32]   V ir te x - 6   3877( L U T s )   95. 2   [ 33]   V ir te x - 4   31946( L U T s )   60   M o d u la r  mu ltip lic a tiv e  in v e r s e   T hi s  w or k   V ir te x - 7   900   137. 22   [ 37]   V ir te x - 7   1480   146. 38   [ 39]   V ir te x - 7   1577   138. 3   [ 41]   V ir te x - 5   592   129   [ 40]   V ir te x - 2   5863   55. 7   [ 38]   V ir te x - 2   2085   68. 17   E llip tic  C u r v e  P o in t M u ltip lic a tio n   T hi s  w or k   V ir te x - 7   6030   136. 77   [ 23]   V ir te x - 7   8900   177. 7   [ 35]   V ir te x - 7   24200   72. 9   [ 26]   K in te x - 7   11300   121. 5   [ 27]   V ir te x - 5   10200   66. 7   [ 25]   V ir te x - 4   35700   70   E C D S A  V e r if ic a tio n   T hi s  w or k   V ir te x - 7   12055   136. 81   [ 16]   N a nd ga t e  45nm  C M O S   1034kG E   295   [ 36]   V ir te x - 5   36000   39. 7   [ 18]   V ir te x - 2   15755   39. 5   [ 17]   V ir te x - 2   3529   67       M odi f i e d I nt e r l e a ve d m odul a r  m ul t i pl i c a t i on  i s  pr opos e d i n [ 30]  t ha t  ha s  be e n r e a l i z e d i va r i ous   FPG A   p la tf o r ms .  I n  v i r te x - 7,  i t  ha d a  us a ge  o f  140 0 L U T s  w i t h  a  s pe e d of  134 . 7   M H z  w h ile  in  v ir te x - 5 t he   s a m e  pr ot ot ype  de m a nde d 2259  L U T s  f unc t i oni n g a t  a  r e duc e d f r e que nc y of  110   MH z .   Y an g   e t a l .   [ 31]   pr opos e M ont gom e r y a l gor i t hm   i s  a dopt e d t o bui l d m odul a r  m u l t i pl i c a t i on ove r   F 25 6   w i t h  r ed u ced   l at en cy .   T he  de s i gn on vi r t e x - 6 pl a t f or m  c ons um e d a bout  23, 977 L U T s  i n t e r m s  of  a r e a  w i t h a n ope r a t i ona l  f r e que nc y   of  40 . 1   M H z.  R ad i x - 4 boot h  e nc ode d  a l gor i t hm  w a s  ut i l i z e d by   [ 32]  t o  i m pl e m e nt  m odul a r   m ul t i pl i e r .  T h r e e   c ons e c ut i ve  di gi t s   of   m ul t i pl i e r  f r om  L S B  t o M S B  w a s  c he c ke d t o ge t  t he  pr oduc t  of  m ul t i pl i c a nd a nd    {0, - 1 or  + 1, - 2 or  + 2 }  a nd  t o a dd  i t  a l ong w i t h  t he  2 - bi t  s hi f t e d ve r s i on of  pa r t i a l  pr oduc t .  T hi s  de s i gn  e xpe nde d 3877 L U T s  on  vi r t e x - 6 F P G A  f o r  a  s pe e d of  95. 2   MH z A na nyi   e t a l .   [ 3 3]   s t udi e d   m a ke  us e   of   n o r ma l mu ltip lie r   th a t e x e c u te s  mo d u la r  r e d u c t io n  a f te r   t h c o mp le tio n  o f  mu ltip lic a tio n   r a th e r  th a n   p e r f o r min g  b i tw is e  mu ltip lic a tio n  p r o c e e de d by m odul a r  r e duc t i on.  A s   a   r e s u lt,   th is   mu ltip lie r   de m a nds   huge   a m ount   of   ar ea   in   v ir te x - 4   d ev i ce   w ith   t he   u tiliz a ti o n   of   a bout   31, 946  L U T s   in   a ddi t i on   to   32   DS P   s l i ces   w ith   a   s p eed   p er f o r m an ce   of   60   MH z .   In   c om pa r i s on   to   t he   a bove   d i sc u sse d   a r c hi t e c t ur e s ,  t hi s  w or k  s pe n ds  onl   1305 L U T s  i n vi r t e x - 7 F P G A  w hi l e  ope r a t i ng  a t   a  hi ghe r   f r e que nc y of  136. 59   M H z w h i ch  as s u r es  b et t er   pe r f or m a nc e  of  t he  p r opos e d   de s i gn.   T he  t e c hni que  pr opos e d t o i m pl e m e nt  m u l t i pl i c a t i ve  i nve r s e  de s i gn a t t a i ne d a n ope r a t i ng  f r eq u en cy   of  137. 22  M H z  w i t h r e s our c e  ut i l i z a t i on  of  onl y  9 00 s l i c e s  ove r  G F  ( 256 ) .   I [ 37 ] [ 39 ]  w or ks  i m pl e m e nt e us i n v ir te x - 7 de vi c e   s how c a s e d hi ghe r  s pe e d but   w i t h i nc r e a s e d a r e a  c ons um pt i on.  O t he r  de s i gns  [ 38 ] [ 40 ] [ 41]  s ynt he s i z e d us i ng  v ir te x - 5 a nd vi r t e x - 2 F P G A  ha d l ow e r  pe r f o r m a nc e  i n t e r m s  of  bot h  s l i c e s  a nd   f r eq u en cy   of  e xe c ut i on.   P e r f or m a nc e  a na l ys i s  w i t ot he r  w or ks  hi ghl i ght e d  i n t he  t a bl e  s how s  t ha t  a  t r a de - o ff  i s  a c hi e ve d be t w e e n a r e a  a nd s pe e d of  e xe c ut i on b y t he  m e t hod a dopt e d   i n  t h i s  r es ear ch  f o r   i nve r s i on .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA   T el eco m m u n   C om put  E l   C ont r o l         E f f i c i e nt  har dw ar e  pr ot ot y pe  of  E C D SA  m odul e s  f or  bl oc k c hai n appl i c at i ons   ( D evi ka  K .   N .)   1645   H i g h l y  ef f i ci en t  E C P M  ar ch i t ect u r r eal i zed  i n  b o t h  A S I C  an d   F P G A   i s  i nt r oduc e d i n  [ 26] .  H o w ev er ,   i n ki nt e x - 7   p la tf o r m   t he   de s i gn   u tiliz e d   a bout   1. 9   time s   e x tr a   s l i ces   an d   is   1. 1   ti me s   sl o w e r   t h an   pr opos e d   e llip tic   c ur ve  po in t mu ltip l ie r  p u f o r w a r d  in  th is  p a p e r .   A si f   e t a l.   [ 35]  ba s e d on R N S  r e l a t e d poi nt   m ul t i pl i c a t i on c ons um e s  24. 2   k  s l i ces  t o  ach i ev e a s p eed  o f  7 2 . 9   M H z .  W hi l e   [ 27]  oc c upi e d 10 . 2   k  s lic e s  to   e xe c ut e  E C P M ,  [ 25]  ha d  t o  us e   3 5. 7   k   s l i ces   f or   t he   sa m e   to   a tta in   a   s p eed   of   a bout   70   MH z .   E v en   t hou gh   [ 2 3]   h as   hi ghe r   ope r a t i ona l   s pe e d o f  177. 7   M H z  i t  w a s  f ound t o  a bs or b  m or e  s l i c e s  c om pa r e d  t o  t he  w or k  di s c us s e d   i n t hi s  pa pe r  t ha t  e m pl oye d onl y  6030 s l i c e s  t o w o r k a t  a   f r e que nc y of   136 . 77   MH z .   A na l ys i s  of  pe r f o r m an ce p ar am et er s  f o r  E C D S A  s i g n at u r e v er i f i cat i o n  i n d i cat es  t h at  t h e s u g g es t ed   d es i g n  f o r  E C D S A  ex h i b i t ed  b et t er  p er f o r m an ce i n  al l  p ar am et er s  ex am i n ed .   K n ezev i e t a l.   [ 16 ]  c on s i de r e NAND g a t e   c om pl e m e nt a r y m e t a l  oxi de  s e m i c onduc t or s  ( C M O S )   t e c hnol ogy  f or  45nm  f or  i t s  A S I C   i m pl e m e nt a t i on but  de m a nde d huge  l og i c  c ons um pt i on.  A l l  ot he r  w or ks  [ 17 ] [ 18 ] [ 36]  ha d l ow e r  e xe c ut i on  s pe e d w he n c om pa r e d t o  t he  de s i gn  pr opos e d i n  t h i s  w or k.  F i gu r e  6  i l l us t r a t e s  t he  a r e a  ut i l i z a t i on a n d s pe e of  ope r a t i on  a t t a i ne d  by  va r i ous  E C D S A  c om po ne nt s   imp le me n te d  in   F P G A   f or  di f f e r e nt  bi t - si z e s.  T h e   g r ap h i cal  r es u l t  r ev eal s   th a t a ll  th e  e le me n ts  o f   E C D S A  w e r e  a b le  to  a tta in  c o n s is te n c y  in  te r ms  o f  o p e r a tio n a l   s pe e d a m ong t he m s e l ve s .  H ow e ve r ,  i t  di s pl a ye d a  l i ne a r  i nc r e a s e  i n a r e a  c ons um pt i on w i t h  t he  bi t - s i ze  v al u e.           (a)   (b )     F i gur e  6.  C om pa r i s on of   pe r f o r m a nc e  pa r a m e t e r s  a m ong va r i ous  E C D S A  c om pone nt s   f or  va r yi ng bi t - s i ze,   (a ope r a t i ona l  f r e que nc y,  ( b)  a r e a   u tiliz a tio n       7.   CO NCL US I O N AND F UT URE  S CO P E   I n t hi s  w or k,  hi ghl y e f f i c i e nt  r e - c onf i gur a bl e  ha r d w a r e  pr ot ot ype s  a r e  i nt r oduc e d t o a s s e m bl e   e llip tic   c ur ve  di gi t a l  s i gna t ur e   ar ch i t ect u r e f o r  an y  N - bi t  va l ue .  N ove l  a r c hi t e c t ur e s  a r e  s ugge s t e d f or   m odul a r   mu ltip lic a tio n   an d   mu ltip lic a tiv e   i nve r s e   ci r cu i t ry   to   o p timiz e   r es o u r ce   u tiliz a tio n   an d   i m pr ove   t he   o p er at i o n al   s pe e d of  t he  e nt i r e  E C D S A  f r a m e w or k.  X i l i nx   V ir te x   7  is  th e  F P G A  d e v ic e  u t iliz e d  to  imp le me n t a ll  d e s ig n s   pr opos e d up t o b i t  s i z e  of  256 b i t s .   T he  r e s ul t s  s how s  t ha t  256 - bi t  E C C  s i gna t ur e  ge ne r at i o n  m ak e u s e o f     4956 s l i c e s  r unni ng w i t h a  f r e que nc y of  a bout  136 . 81   M H z.  Wh i l e t h e s am e s i ze E C C  v er i f i cat i o n  r u n s   w ith   e qui va l e nt   s p eed   but   c ons um i ng   a bout   21055   s l i ces   ow i ng   to   its   hi ghe r   c o mp le x ity .   P er f o r m an ce   an al y s i s   w ith   s i m i l a r  w or ks  pr ove  t ha t  a l l  de s i gns  s ugge s t e d w e r e  f ound t o m a ni f e s t  be t t e r  pe r f o r m a nc e  w i t h r e s pe c t  t o a r e a   a nd s pe e d.  C om pa r i s on r e s ul t s  w i t h e xi s t i ng w or ks  c l e a r l y hi ghl i ght s  t he  t r a de - of f  be t w e e n f r e que nc a nd  ar ea   c ons um pt i on f or  t he  m odu l e s  de s i gne d   w i t h ot he r   e qui va l e nt  s t r uc t ur e s .  F u t ur e  s c ope  o f  t hi s  w or k  i s   t o ve r i f y   bl oc kc ha i n   t r an s act i o n s   us i ng   t he   a bove   r eal i zed   re - c onf i gur a bl e   s t r u ct u r es   to   en ab l e   a p p lic a tio n   of   bl oc kc ha i n   t e c hnol ogy i n ha r dw a r e   s ecu r i t y .       R EF ER EN C ES   [1 ]   J.  Al - Ja r oo di a n d N.  M oh a m e d,  “ B loc kc ha in i n I nd us tr ie s : A S ur ve y,  in  I E EE Ac c e ss ,  v ol.  7,  pp.  36 50 0 - 3 65 15,   201 9,   do i: 10. 1 10 9/ AC C ES S . 20 19. 2 90 35 54.   [2 ]   T.  Ali S ye d,  A.  Alz a hr a ni,  S .  Ja n,  M .  S .  S iddi qu i,  A.  Na de e m  a nd T.  Al gha m di,  “ A C om pa r a t ive  A na l ys is  of   B loc kc ha in Ar c hi te c t ur e  a n d i ts  Ap pl ic a t io ns : P r ob l e m s a nd R e c om m e nda ti on s,  in  I E EE Ac c e ss ,  v ol.  7,     pp.  17 68 38 - 1 76 86 9,  20 19,  d oi : 10. 11 09 /AC C ES S . 20 19. 295 76 60.   [3 ]   B .  S ha hz a d a nd J.  C r o wc r of t,  “ Tr u st wor th y Ele c tr o nic   Vot in g U si ng A dj us te d B l oc kc ha i n Te c h no lo gy,  i I EE A c c e s s , v o l . 7 ,  pp.  2 44 77 - 24 48 8,  20 19,  d oi : 10. 11 09 /AC C ES S . 20 19. 2 89 56 70.   [4 ]   S .  M onda l,  K.  P .  W ije wa r d e na ,  S .  Ka r up pu swa m i,   N.  Kr i ti,   D.  K um a r  a n d P .  C ha ha l,  “ B loc kc ha in I ns pir e d     RF ID - B a se d I nf or m a t io n Ar c h ite c tur e  f or  F oo d S up pl y  C ha in,  in  I EE E I nte r ne t o f T hin gs  J ou rn al ,  vol.  6,  no .  3,     pp.  58 03 - 5 81 3,  Ju ne  20 19,  d oi : 1 0. 11 09 /JI OT. 20 19. 2 90 765 8.   [5 ]   J.  L iu a n d Z .  L iu,  “ A S ur ve y o n S e c ur it y Ve r if ic a ti on  of  B loc kc ha in S m a r t C o ntr a c ts,   in  I EE E Ac c e ss ,  vo l.  7 ,     pp.  77 89 4 - 77 90 4,  20 19,  d oi : 10. 11 09 /AC C ES S . 20 19. 2 9 216 24.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.