Performance Evaluation of Cryptographic Algorithms on ESP32 with Cryptographic Hardware Acceleration Feature

The rise of the Internet of Things (IoT) and autonomous robots/vehicles comes with a lot of embedded electronic systems. Small printed circuit boards with microcomputers will be embedded almost everywhere. Therefore, the security and data protection of those systems will be a significant challenge to take into consideration for the future development of IoT devices. Cryptographic algorithms can be used to provide confidentiality and integrity for data transmitted between those embedded devices. It is important to know what kind of algorithm is the most suitable for the specified task and the selected embedded device. In this thesis, several commonly used cryptographic algorithms are evaluated and an EPS32 based IoT device is chosen as the evaluation platform. ESP32 is a series of low cost and low power System-on-Chip microcontrollers with integrated Wi-Fi and dual-mode Bluetooth. Additionally, ESP32 has the hardware acceleration feature for commonly used cryptographic algorithms. The goal of this thesis is to evaluate the performances of different cryptographic algorithms on the ESP32 with and without using the hardware acceleration feature. The execution times of different cryptographic algorithms processing data with varying sizes are collected, and the performance of each cryptographic algorithm is then evaluated. A data logging scenario is evaluated as a case study where the ESP32 periodically sends data to a remote database. Under different configurations of the ESP32, the transmission time of encrypted and non-encrypted communications via Hypertext Transfer Protocol Secure (HTTPS) and Hypertext Transfer Protocol (HTTP) will be compared. The results can be used to simplify the calculation of performance/protection trade-offs for specific algorithms. It also shows that the built-in hardware acceleration has a significant impact on increasing those algorithms’ performances. For Advanced Encryption Standard (AES), the throughput for encryption increased by 257.8%, and for decryption 222.7%. For Secure Hash Algorithm (SHA-2), the throughput increased by 165.2%. For Rivest-Shamir-Adleman (RSA), the encryption throughput has a decrease of 40.7%, and decryption has an increase of 184%. Furthermore, the results can also aid the design and development of a secure IoT system incorporating devices built with ESP32. Uppkomsten av Internet of Things (IoT) och autonoma robotar / fordon kommer med många inbyggda elektroniska system. Små kretskort med mikrodatorer kommer att vara inbäddade nästan överallt. Därför kommer säkerheten och dataskyddet för dessa system att vara en betydande utmaning att ta hänsyn till för den framtida utvecklingen av IoT-enheter. Kryptografiska algoritmer kan användas för att ge sekretess och integritet för data som överförs mellan de inbäddade enheterna. Det är viktigt att veta vilken typ av algoritm som är bäst lämpad för den angivna uppgiften och den valda inbäddade enheten. I denna avhandling utvärderas flera vanliga kryptografiska algoritmer och en EPS32-baserad IoT-enhet väljs som utvärderingsplattform. ESP32 är en serie av låga och lågeffektiva system-on-chip-mikrokontroller med integrerat Wi-Fi och dual-mode Bluetooth. Dessutom har ESP32 hårdvaruaccelereringsfunktionen för vanliga kryptografiska algoritmer. Målet med denna avhandling är att utvärdera prestanda för olika kryptografiska algoritmer på ESP32 med och utan att använda hårdvaruaccelereringsfunktionen. Exekveringstiderna för olika kryptografiska algoritmer som behandlar data med olika storlekar samlas in och prestanda för varje kryptografisk algoritm utvärderas sedan. Ett dataloggningsscenario utvärderas som en fallstudie där ESP32 regelbundet skickar data till en fjärrdatabas. Under olika konfigurationer av ESP32 jämförs överföringstiden för krypterad och icke-krypterad kommunikation via Hypertext Transfer Protocol Secure (HTTPS) och Hypertext Transfer Protocol (HTTP). Resultaten kan användas för att förenkla beräkningen av prestanda / skydda avvägningar för specifika algoritmer. Det visar också att den inbyggda hårdvaruaccelerationen har en betydande inverkan på att öka dessa algoritmers prestanda. För Advanced Encryption Standard (AES) ökade genomströmningen för kryptering med 257,8% och för dekryptering 222,7%. För Secure Hash Algorithm (SHA-2) ökade kapaciteten med 165,2%. För Rivest-Shamir-Adleman (RSA) har krypteringsflödet minskat med 40,7% och dekryptering har ökat med 184%. Dessutom kan resultaten också hjälpa till att utforma och utveckla ett säkert IoT-system som innehåller enheter byggda med ESP32