Encryption Algorithms for Resource-Constrained Devices

Abstract

The Internet Of Things (IoT) is spreading rapidly across multiple sectors, bringing efficiency and energy savings to businesses and revolutionizing the way we communicate with low-cost computing. One very important use case for this technology is seaports, optimizing their operations and simultaneously reducing their overall costs. As with most devices, these systems need security to protect transmitted data from tampering and disclosure so this thesis will focus on evaluating lightweight encryption solutions, measuring and comparing both their performance and security to define specific guidelines for their usage in resource-constrained devices, with some contributions to the seaport environment. This work also gives a brief background on topics like encryption, block ciphers, and different specifications of lightweight algorithms, providing several low-resource devices, namely Arduino Uno, several Raspberry Pi devices, and ESP-family hardware, which are widely used in these IoT scenarios to assess their performance.

Furthermore, it also analyzes three transmission protocols that are used in these environments to transfer data between these devices, namely Wi-Fi, Bluetooth, and ESP-Now. To complement this, a literature review was conducted to provide context into the current state-of-the-art on the topics of seaport and encryption usage, as well as to define the methodology and subsequent metrics on which we can perform the comparisons and thus objectively propose the best solutions. Afterward, a practical assessment was performed following the methodology chosen, which determined that TEA, XTEA, and ASCON are, on average, the most efficient ciphers when it comes to speed, memory, and power consumption, with AES-128 also working as a viable solution given its stature as a highly used and standardized algorithm with decent performance. Furthermore, from the transmission standards gathered, we can conclude that Bluetooth Low Energy (BLE) is by far the most power efficient, however, it has a limited range that hinders its usability for any long-range communications, with ESP-Now and Wi-Fi offering competitive solutions if power saving is not critical and a medium to long range is desirable. To conclude, scenarios that fit both into the IoT and seaport use cases were defined to suggest the best possible solutions for different situations, most originating from the state-of-the-art analysis.

Alternate abstract:

A Internet das Coisas (IoT) está a espalhar-se rapidamente por vários setores, trazendo eficiência e poupança de energia às empresas e revolucionando a forma como comunicamos a utilizar computação de baixo custo. Um caso de uso muito importante para esta tecnologia são os portos marítimos, otimizando as suas operações e reduzindo simultaneamente os seus custos globais. Tal como acontece com a maioria dos dispositivos, estes sistemas necessitam de segurança para proteger os dados transmitidos contra adulteração e divulgação, pelo que esta tese se concentrará na avaliação de soluções de encriptação leves, medindo e comparando o seu desempenho e segurança para definir diretrizes específicas para o seu uso em dispositivos com recursos limitados, com algumas contribuições para as operações de portos marítimos. Este trabalho também fornece um breve histórico sobre tópicos como encriptação, cifras de bloco, diferentes especificações de algoritmos leves, assim como utilizar vários dispositivos com poucos recursos, nomeadamente Arduino, vários Raspberry Pi, e dois dispositivos ESP que são amplamente utilizados nestes cenários de Internet das Coisas para avaliar o seu desempenho. Além disso, também serão estudados três protocolos de transmissão que são utilizados nestes ambientes para transferir os dados entre estes dispositivos, nomeadamente Wi-Fi, Bluetooth e ESP-Now. Para complementar isso, foi feita uma revisão da literatura para contextualizar o estado da arte atual sobre os tópicos de porto marítimo e uso de criptografia, bem como para definir a metodologia e métricas subsequentes nas quais nós podemos realizar as comparações e assim propor objetivamente as melhores soluções. Posteriormente, foi realizada uma avaliação prática seguindo a metodologia escolhida, que determinou que TEA, XTEA e ASCON são, em média, as cifras mais eficientes em termos de velocidade, memória e consumo de energia, com o AES-128 funcionando também como uma solução viável dada a sua estatura como um algoritmo altamente utilizado e padronizado na indústria, aliado a um desempenho aceitável. Além disso, a partir dos padrões de transmissão recolhidos, podemos concluir que o BLE é de longe o mais eficiente em termos energéticos, no entanto, tem um alcance limitado que dificulta a sua utilização para quaisquer comunicações de longo alcance, com o ESP-Now e Wi- Fi oferecendo soluções competitivas se a poupança de energia não for crítica e um alcance médio a longo for desejável. Para concluir, foram definidos cenários que se enquadram tanto nos casos de uso de IoT quanto de portos marítimos para sugerir as melhores soluções possíveis para diferentes situações, a maioria com origem na análise do estado da arte.