Enhancing the PCIe data link layer integrity using energy efficient lightweight cryptographic algorithms

Abstract

Yüksek hızlı seri iletişim protokolü olan PCIe, veri bütünlüğü için Bağlantı Döngüsel Yedeklilik Denetimi'ni (LCRC) kullanır, ancak standart LCRC yöntemi güç yoğun ve enerji açısından verimli uygulamalar için uygun değildir. Bu tez, enerji verimliliğini artırmak için hafif kriptografik (LWC) algoritmaları kullanarak PCIe'nin veri bağlantı katmanında veri bütünlüğünü geliştirmeyi araştırmaktadır. Araştırmada, PCIe tabanlı veri bütünlüğü mekanizmalarında güç tüketimini azaltmaya odaklanan çalışmalarda bir boşluk olduğu tespit edilmiştir. Bu çalışma, ASCON, GRAIN ve Trivium gibi LWC algoritmaları ve paralel LFSR yapıları dahil olmak üzere standart LCRC'ye enerji açısından verimli alternatifler önererek bu boşluğu gidermiştir. Bu yöntemler, güç tüketimi, veri bütünlüğü ve hız açısından LCRC ile karşılaştırılarak ve önemli güç tüketimi kazanımları elde eilmiş ve verimlilik arttırılmıştır. Bu çalışma ile elde edilen önemli iyileştirmeler şunlardır: • PCI Express spesifikasyonunda verilen standart LCRC mekanizmasının işlevi korunarak, enerji açısından daha verimli bir yöntem sunulmaktadır. • Geliştirilmiş LCRC adı verilen yöntem sayesinde, LCRC yapısının dinamik güç tüketiminde %38'den %85'e kadar önemli bir azalma sağlanır. • Geliştirilmiş LCRC'nin yanı sıra çeşitli hafif şifreleme algoritmaları ve Reed Solomon kodu üzerinde de bir çalışma yapılmış ve bunların standart LCRC yöntemine iyi bir alternatif olabileceği gösterilmiştir. • Batarya ile beslenen uygulamalar için daha fazla veri bütünlüğü ve güvenilirliği sağlayan yeni LCRC yöntemleri sunulmuştur. Bu araştırma, PCIe veri bütünlüğünü bir adım daha ileri taşıyarak, yüksek performanslı veri işlemleri ve yoğun hesaplama uygulamaları için verimli bir ortam sunulmasına katkıda bulunmaktadır.PCIe, a high-speed serial communication protocol, uses the Link Cyclic Redundancy Check (LCRC) for data integrity, though traditional LCRC methods are power-intensive and not suited for energy-efficient applications. This thesis explores enhancing data integrity in PCIe's data link layer using lightweight cryptographic (LWC) algorithms to improve energy efficiency. The research identifies a gap in studies focusing on reducing power consumption in PCIe-based data integrity mechanisms. This study addresses this gap by proposing energy-efficient alternatives to the standard LCRC, including LWC algorithms like ASCON, GRAIN, and Trivium, and parallel LFSR structures. These methods are compared to the LCRC in terms of power consumption, data integrity, and speed, achieving significant power reductions and improved efficiency. Key improvements include: • An energy-efficient method that maintains the LCRC function from the PCI Express specification. • Enhanced LCRC method, reducing dynamic power consumption by 38% to 85%. • Lightweight cryptographic algorithms and Reed-Solomon code as viable alternatives to LCRC. • Enhanced data integrity with low power consumption and high operating frequencies. • Increased reliability for battery-powered applications with new LCRC methods. This research advances PCIe data integrity and supports energy-efficient, power-constrained systems, with implications for high-performance computing and data-intensive appli- cations.