Enhance LEA Encryption Algorithm Using Key Whitening Technique

Abstract

ABSTRACT In resource-constrained devices the secure communication and privacy are prime concern. Therefore, data cryptography is considered the fundamental security mechanism for confidentially. Yet, these devices have limited resources in size and cost. These restrictions are not available in traditional cryptography but there is a new trend for cryptographic called lightweight cryptography (LWC). Various algorithms have been presented in this area which are either software-based implementation or hardware-based implementation of lightweight cipher. This research presents, a development of an efficient lightweight encryption algorithm ciphers, family of Addition, Rotation and bitwise XOR (ARX operations) named Lightweight Encryption Algorithm (LEA). It’s a software-oriented security framework for resource-constrained IoT in a general-purpose environment that achieve confidentially. The research proposes a new, faster and more secure LEA-128 algorithm suitable for IoT devices. For this, i have used the concept of key whitening as a separate layer in LEA structure. Implementation results of the proposed LEA block cipher on a processor AMD E2-1800 APU with Radeon(tm) HD Graphics 1.70 GHz, x64-based and ARM in C-language testing and compared to other lightweight algorithm using recommendable benchmark tool FELICS (Fair Evaluation of Lightweight Cryptographic Systems), [2], [3], [4] in Lunix OS (ubunu-14.0 server). A comparison is made among existing benchmarked lightweight software-oriented ciphers 128-bit block, original LEA and proposed design on 32-bit CPU. The proposed design has fulfilled the performance Analysis, Strict Avalanche Criteria(SAC) and key sensitivity test [5], [6], [7] with 6.9% which means strong key; high security strength archived. It also shows better performance of Encryption/decryption operation execution times. So It has fastest execution speed on 32-bit processor because of its 32-bit ARX operations; the second part of research goal is achieved suitable for resource-constrained IoT.

This work helps the researchers in the area of IoT security develop the performance of the proposed ciphers on different platforms (8-bit, 16-bit and 64-bit processors) with different lightweight versions. I invite researchers do code optimization and cryptanalysis of the proposed LEA cipher.

المستخلص في الاتصال بين الاجهزة محدودة الموارد حيث أن الحماية والخصوصية لهما أولوية الاهتمام. يعتبر تشفير البيانات آلية الحماية الأساسية لإرسال بيانات وحفظ الموثوقية.ولا تزال هذه الأجهزة لديها محدودية في الموارد من ناحية الحجم والتكلفة وهذه القيود غير متوفرة في خوارزميات التشفير التقليدية، لكن الاتجاه الجديد التشفير الذي يسمى التشفير خفيف الوزن يحل والذي لديه أنواع مختلفة من الخوارزميات التي يمكن تطبيقها على البرمجيات او المعدات يوفر عدد من الحلول. هذا البحث قدم تطوير لإحدى الخوارزميات التشفير خفيفة الوزن الكفرة التي تنتمي إلى عائلة تسلمي ARX تعتمد في بنائها على ثلاثة عمليات هي (الجمع،التدوير وبوابة اكس اور) والتي اسمو الخوارزمية التشفير خفيفة الوزن (LEA) وهو عبارة عن هيكل حماية يطبق علي البرمجيات ومناسب مع موارد إنترنت الأشياء المحدودة المستخدمة في بيئات الأغراض العامة والذي يحقق الموثوقية، ولتحقيق ذلك استخدمت مفهوم تبيض المفتاح مطبقة جديدة مضافة الي هيكلية ال LEA. تم تطبيق النتائج الخوارزمية المقترحة على معالج AMD E2-1800 APU with Radeon(tm) HD Graphics 1.70 GHz, x64 بلغة ال سي وتم اختبارها ومقارنتها الخوارزميات خفيفة الوزن اخري باستخدام أداة ال FELICSالموسى بها علي نظام تشغيل لينكس (اوبنتو نسخة ١٤) .الخوارزميات التي تم اختيارها المقارنة هي الخوارزميات خفيفة الوزن ذات اتجاه برمجي بالإضافة إلى الخوارزمية الLEAالأصلية جميعها ١٢٨ بلوك علي معالج ٣٢ بت.اجتاز التصميم المقترح اختبار تحليل الأداء المتمثل في اختبار العشوائية SAC واختبار حساسية المفتاح بنسبة 6.9% وهذا يشير الي زيادة قوة المفتاح وبالتالى زيادة قوة حماية الخوارزمية وهكذا تم تحقيق الهدف الاول.كذلك أظهر التصميم أفضل أداء في سرعة زمن تنفيذ عمليات التشفير وفك التشفير وهكذا حقق أسرع تنفيذ علي معالج ٣٢ بت وذلك نسبة لعمليات ال ARX وبذلك تحقق الجزء الثاني من هدف البحث وهو أفضلية أداء التصميم لإنترنت الأشياء محدودة الموارد. هذا العمل يساعد الباحثين في مجال تطوير أداء الحماية للتصميم المقترح علي مختلف البيئات (لمعالجات ٨بت، ١٦ بت و ٦٤ بت) لمختلف إصدارات الخوارزمية، وانا ادعو الباحثين لتحسين الكود و تحليل التشفير للخوارزمية المقترحة.