Протоколы шифрования с открытым ключом сложны, и в компьютерных сетях они выполняются программным обеспечением. Но это не сработает в Интернете вещей — воображаемой сети, которая соединит множество различных датчиков — встроенных в транспортные средства, бытовую технику, гражданские сооружения, производственное оборудование и даже метки для скота — с онлайн-серверами. Встроенные датчики, которым необходимо максимально продлить срок службы батареи, не могут позволить себе энергопотребление и объем памяти, необходимые для работы протоколов шифрования в программном обеспечении.
Исследователи из Массачусетского технологического института создали новый чип, в котором реализована функция шифрования с открытым ключом. Он потребляет всего 1/400 мощности по сравнению с программным обеспечением, использующим те же протоколы. Кроме того, он использует примерно в 10 раз меньше памяти и работает в 500 раз быстрее. Исследователи описывают этот чип в статье, которую они представят на этой неделе на Международной конференции по твердотельным схемам.
Как и большинство современных систем шифрования с открытым ключом, разработанный исследователями чип использует метод, называемый шифрованием на основе эллиптических кривых. Как следует из названия, шифрование на основе эллиптических кривых основано на математической функции, называемой эллиптической кривой. В прошлом исследователи, в том числе та же группа из Массачусетского технологического института, которая разработала новый чип, создавали встроенные чипы для обработки конкретных эллиптических кривых или семейств кривых. Отличительной особенностью нового чипа является то, что он предназначен для обработки любой эллиптической кривой.
«Криптографы получают кривые с различными свойствами и используют разные простые числа», — говорит Утсав Баннерджи, аспирант Массачусетского технологического института по специальности «Электротехника и вычислительная техника» и первый автор статьи. «Ведутся многочисленные дебаты о том, какая кривая является безопасной и какую использовать, и у разных правительств разные стандарты, которые говорят о разных кривых. С помощью этого чипа мы можем поддерживать их все, и, надеюсь, когда в будущем появятся новые кривые, мы сможем поддерживать и их».
Вместе с Банерджи в газете появились его научный руководитель Ананта Чандракасан, декан инженерной школы Массачусетского технологического института, и профессор Ванневар Буш с кафедры электротехники и информатики; Арвинд, профессор Джонсон с кафедры компьютерной инженерии; а также Эндрю Райт и Чирааг Джувекар, оба аспиранты с кафедры электротехники и информатики.
Модульное рассуждение
Для создания своего универсального чипа на основе эллиптических кривых исследователи разложили криптографические вычисления на составляющие части. Криптография на основе эллиптических кривых основана на модульной арифметике, то есть значениям чисел в вычислениях присваивается предел. Если результат какого-либо вычисления превышает этот предел, он делится на предел, и сохраняется только остаток. Секретность, окружающая этот предел, помогает обеспечить криптографическую безопасность.
Одной из вычислительных задач, для которой в микросхеме MIT предусмотрена специальная схема, является модульное умножение. Но поскольку криптография на эллиптических кривых работает с большими числами, модульный умножитель микросхемы имеет огромные размеры. Как правило, модульный умножитель может обрабатывать числа с 16 или, возможно, 32 двоичными разрядами, или битами. Для более сложных вычислений результаты дискретных 16- или 32-битных умножений интегрируются с использованием дополнительной логической схемы.
Однако модульный умножитель чипа MIT способен обрабатывать 256-битные числа. Исключение дополнительных схем для выполнения вычислений меньшего масштаба снижает энергопотребление чипа и повышает его скорость.
Еще одна ключевая операция в криптографии на эллиптических кривых называется инверсией. Инверсия — это вычисление числа, которое при умножении на заданное число дает модульное произведение, равное 1. В предыдущих микросхемах, предназначенных для криптографии на эллиптических кривых, инверсия выполнялась теми же схемами, что и модульное умножение, что позволяло экономить место на чипе. Но исследователи из Массачусетского технологического института оснастили свой чип специальной инверторной схемой. Это увеличивает площадь поверхности чипа на 10 процентов, но при этом вдвое снижает энергопотребление.
Наиболее распространенный протокол шифрования с использованием эллиптических кривых называется протоколом безопасности транспортного уровня дейтаграмм (DTLSP), который регулирует не только сами вычисления на эллиптических кривых, но и форматирование, передачу и обработку зашифрованных данных. Фактически, весь протокол жестко закодирован на микросхеме исследователями из Массачусетского технологического института, что значительно сокращает объем памяти, необходимый для его выполнения.
В состав чипа также входит универсальный процессор, который может использоваться совместно со специализированными схемами для выполнения других функций безопасности, основанных на эллиптических кривых.
Автор: Ларри Хардести, пресс-служба Массачусетского технологического института
