аспирант кафедры факультет информационно-измерительных и биотехнических систем Санкт-Петербургского государственного электротехнического университет «ЛЭТИ» имени В.И. Ульянова (Ленина)
Обеспечение безопасных операций криптографии в средах с ограниченными ресурсами представляет собой сложную задачу из-за ограниченной вычислительной мощности и памяти. В условиях стремительного роста беспилотных транспортных систем возрастает потребность в эффективных и безопасных криптографических решениях. Оптимизация криптографических алгоритмов для таких систем становится особенно актуальной с учетом их ограниченных вычислительных ресурсов и высоких требований к безопасности.
Целью данного исследования является оптимизация операций электронной подписи на основе эллиптической кривой (ECC) для систем с ограниченными ресурсами, в частности для беспилотных транспортных систем. Исследование направлено на повышение вычислительной эффективности и снижение использования памяти, делая механизмы безопасности на основе ECC более подходящими для встроенных приложений.
Новизна данного исследования заключается в интеграции множества методов оптимизации. Улучшается скалярное умножение точки, используя свойства циклической группы, противоположного числа, а также усовершенствованный оконный метод умножения. Кроме того, вводится детерминированный метод генерации одноразового используемого числа (nonc), вдохновленный EdDSA, для дальнейшего повышения эффективности цифровой подписи. Эти оптимизации в совокупности способствуют более эффективному криптографическому процессу, подходящему для сред с ограниченными ресурсами.
Теоретическая значимость заключается в разработке нового математического аппарата, позволяющего оптимизировать операции электронной подписи.
Практическая значимость данного исследования заключается в его применимости в маломощных встраиваемых системах, где вычислительные ресурсы и память крайне ограничены. Оптимизируя операции ECC, это исследование повышает безопасность и производительность криптографических реализаций в беспилотных транспортных системах и аналогичных встраиваемых приложениях, обеспечивая безопасную связь без превышения аппаратных ограничений.
Реализация предложенного метода была осуществлена на микроконтроллере ATmega 2560, полученные результаты показывают сокращения количества циклов на 54,1 % и уменьшения использования SRAM на 72,6 % при генерации ключей, а также значительного повышения производительности в процессах подписи и проверки. Экспериментальные результаты подтверждают его эффективность в оптимизации операций ECC для ограниченных устройств беспилотных транспортных систем.
Relevance. Ensuring secure cryptographic operations in resource-constrained environments presents challenges due to limited computational power and memory. With the rapid growth of Unmanned Vehicle Systems, the need for efficient and secure cryptographic solutions is increasing. Optimizing cryptographic algorithms for such systems becomes especially relevant given their limited computational resources and high security demands.
The purpose of this study is to optimize Elliptic Curve Cryptography (ECC) digital signature operations for resource-limited systems, particularly in unmanned vehicle systems. The research aims to enhance computational efficiency and reduce memory usage, making ECC-based security mechanisms more feasible for embedded applications.
The novelty of this study lies in its integration of multiple optimization techniques. It improves scalar point multiplication by leveraging cyclic group properties, additive inverses, and an enhanced windowed multiplication method. Additionally, it introduces a deterministic nonce generation approach inspired by EdDSA to further refine digital signature efficiency. These innovations collectively contribute to a more efficient cryptographic process suitable for constrained environments.
The theoretical significance lies in the development of a new mathematical apparatus that makes it possible to optimize electronic signature operations.
The practical significance of this study is its applicability in low-power embedded systems, where computational and memory resources are highly limited. By optimizing ECC operations, this research enhances the security and performance of cryptographic implementations in unmanned vehicle systems and similar embedded applications, ensuring secure communications without exceeding hardware constraints.
The proposed method was implemented on the Arduino Atmega 2560 R3, achieves up to a 54,1 % results are showing reduction in cycle count and a 72,6 % decrease in SRAM usage for key generation, alongside significant performance improvements in signing and verification processes. Experimental results confirm its effectiveness in optimizing ECC operations for constrained devices of unmanned vehicle systems.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.