Constructing cluster of simple FPGA boards for cryptologic computations

Abstract

Bu tez ile, kripto-analitik saldırıların gerçeklenmesi ve kriptografik operasyonların hızlandırılması için tasarlanmış, SPKD'lerden (Sahada Programlanabilir Kapı Dizileri) oluşan bir küme altyapısı sunuyoruz. Bahsi geçen küme altyapısı, SPKD cihazı, yerel depolama, KPMC (Karmaşık Programlanabilir Mantıksal Cihaz) ve ağ bağlantısı içeren ucuz ve kullanıma hazır SPKD çevrim kartlarından oluşmaktadır. Küme oluşturma işleminin basit olmasının yanısıra hesaplamalar için gerekli olan donanım tasarımı hariç herhangi bir donanım geliştirme gerektirmemektedir. SPKD'lerde gerçeklenebilen bir işlemci çekirdeği sayesinde, SPKD cihazlarını dinamik olarak yapılandırmak ve hatta yapılandırma ayarlarını, işlem sırasında bile, uzaktaki bir bilgisayar üzerinden değiştirmek mümkündür. Aynı zamanda bu işlemci çekirdeği, karmaşık programları SPKD'nin kaynaklarını kullanmaksızın yürütülebilmektedir. Ek olarak, bu tez ile dinamik yapılandırma değişim tekniği de öneriyoruz. Uygulamasını gerçeklediğimiz bu teknik özellikle kripto-analitik saldırılarda hızlı ve verimli bir şekilde kullanılabildiğinden, SPKD tabanlı geleneksel kripto-analitik makinalara göre daha uygun maliyetli bir alternatif oluşturmaktadır.

In this thesis, we propose an FPGA cluster infrastructure which can be utilized in implementing cryptanalytic attacks and accelerating cryptographic operations. The cluster can be formed using simple and inexpensive, off-the-shelf FPGA boards featuring an FPGA device, local storage, CPLD, and network connection. Forming the cluster is simple and no effort for the hardware development is needed except for the hardware design for the actual computation. Using a softcore processor on FPGA, we are able to configure FPGA devices dynamically and change their configuration on the fly from a remote computer. The softcore on FPGA can execute relatively complicated programs formundane tasks unworthy of FPGA resources. Finally, we propose and implement a fast and efficient dynamic configuration switch technique that is shown to be useful especially in cryptanalytic applications. Our infrastructure provides a cost-effective alternative for formerly proposed cryptanalytic engines based on FPGA devices.