Optimization of advanced encryption standard (AES) on CUDA

Abstract

Bu tez, CUDA üzerinde yazılan AES uygulamaları ile ilgili optimizasyon tekniklerini sunmaktadır. Farklı yazılım tasarımlarına sahip AES-128 için yazılmış 6 farklı CUDA kapsamlı arama uygulaması geliştirilmiş ve Nsight deney sonuçları kullanılarak birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, en iyi CUDA uygulamasını bulmak için kullanılmıştır. AES-128, AES-192 ve AES-256 sürümleri için kapsamlı arama, CTR ve dosya şifreleme uygulamaları bulunan en iyi CUDA sürümü üzerinden geliştirilmiştir. Bu konular göz önünde bulundurularak, GPU ve CPU uygulamaları karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma için yeni Intel komut seti (AES-NI) ve temel C++ olmak üzere iki farklı CPU uygulama seti geliştirilmiştir. Bu uygulamaların 1, 2, 4 ve 8 iş parçacıklı versiyonları CUDA ile karşılaştırılıp sonuçlar paylaşılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, CUDA, anahtar uzunluğuna göre kapsamlı arama için en iyi CPU uygulamalarından 21, 19 ve 18 kat daha hızlı olarak bulunmuştur. Bu oranlar CTR modu ile şifreleme için 4 kata düşmüş olarak hesaplanmıştır. Bu modda, CUDA saniyede 37.52 GB veri şifreleyebilmektedir. Dosya şifreleme kısmında ise CUDA 22, 19 ve 17 kat daha hızlı olarak ölçülmüştür. CUDA, bu konuda ise saniyede 31.24 GB veriyi şifreleyebilir.

This thesis presents several optimization techniques of AES implementations on CUDA. 6 different CUDA kernels are implemented for AES-128 exhaustive search with different software designs and they are compared with each other using Nsight experiment results. Outcome of these results are used for finding the best CUDA implementation and from it, AES-128, AES-192 and AES-256 versions are created for exhaustive search, on the fly CTR and file encryption. They are compared with CPU implementations in order to decide whether GPU or CPU is the fastest considering these topics. For this comparison, two different type of CPU implementations are created which are AES-NI, using new instruction set of Intel, and basic C++. 1, 2, 4 and 8 threads versions of these implementations are compared with CUDA and results are shared. According to them, CUDA is 21, 19 and 18 times faster than the best CPU implementations for exhaustive search with respect to key length. These ratios are 4 times for CTR implementations in which 37.52 GBs of data can be encrypted each second while using CUDA. File encryption for CUDA is 22, 19 and 17 times faster than the best CPU implementations. CUDA can encrypt 31.24 GBs of data per second in this regard without considering I/O operations.