std-crypto-bench

개요

대칭키 블록 암호 알고리즘을 C로 직접 구현하고, IPB(Instructions per Byte) 지표로 성능을 비교하는 벤치마크.

• 측정 도구: Valgrind callgrind
• 성능 지표: IPB = 명령어 수(Ir) / 처리 바이트 수
  • 동일한 컴파일러·플래그 조건에서 하드웨어에 무관하게 일정한 값 산출

대상 알고리즘

선정 기준:

• 국제 또는 국가 표준으로 공식 채택
• 블록 암호 방식
• 서로 다른 설계 구조 포함 (SPN / Feistel)
• 공개된 사양 문서 존재

Algorithm	Structure	Key (bits)	Block (bits)	Rounds	Standard
AES-128	SPN	128	128	10	NIST FIPS 197
AES-256	SPN	256	128	14	NIST FIPS 197
ARIA-128	SPN	128	128	12	KS X 1213-1
SEED	Feistel	128	128	16	KS X 1213
DES	Feistel	56	64	16	FIPS 46-3
3DES-2KEY	Feistel	112	64	48	NIST SP 800-67
3DES-3KEY	Feistel	168	64	48	NIST SP 800-67

DES, 3DES는 폐기된 표준. 알고리즘 구조 비교 목적으로만 포함.

측정 방식

Metric  : IPB = Ir / plaintext bytes
Tool    : Valgrind callgrind, flags: --cache-sim=no --branch-sim=no
Compiler: GCC, flags: -O2 -mno-aes -march=x86-64 -std=c99
                      -fno-inline -fno-ipa-cp -fno-ipa-sra
                      -fno-optimize-sibling-calls
                      -fno-tree-loop-vectorize -fno-tree-slp-vectorize
                      -fno-ivopts -fno-unroll-loops
Link    : -static
Mode    : ECB
Input   : 1 MB, 10 MB
Warmup  : 3 iterations
Repeat  : 10 iterations
OS      : Linux

• -mno-aes: x86 AES-NI 비활성화. AES와 나머지 알고리즘 간 하드웨어 가속 차이를 배제하고 소프트웨어 구현만 비교
• -fno-tree-loop-vectorize -fno-tree-slp-vectorize: SIMD 자동 벡터화 비활성화. 알고리즘 간 명령어 구성이 달라져 Ir 비교를 왜곡
• -fno-ivopts: 귀납 변수 최적화 비활성화. 루프 카운터 강도 감소 변환으로 Ir이 달라짐
• -fno-unroll-loops: 루프 언롤링 비활성화. GCC 버전에 따라 소형 루프(반복 횟수 <= 16) 언롤 여부가 달라져 Ir이 변동되는 문제를 억제
• 벤치마크 포함 기준: NIST CAVP 또는 KISA 공식 테스트 벡터 통과 구현에 한함

디렉토리 구조

StdCryptoBench/
├── include/
│   ├── aes.h
│   ├── aes_variant.h
│   ├── aria.h
│   ├── seed.h
│   ├── des.h
│   └── 3des.h
├── src/
│   ├── aes_internal.h
│   ├── aes.c
│   ├── aes_variant.c
│   ├── aria.c
│   ├── seed.c
│   ├── des.c
│   └── 3des.c
├── bench/
│   ├── harness.h
│   ├── harness.c
│   └── main.c
├── test/
│   ├── test_runner.c
│   ├── test_aes.c
│   ├── test_aes_variant.c
│   ├── test_aria.c
│   ├── test_seed.c
│   ├── test_des.c
│   └── vectors/
│       ├── aes_ecb.txt
│       ├── aria_ecb.txt
│       ├── seed_ecb.txt
│       └── des_ecb.txt
├── scripts/
│   ├── bench.sh
│   └── parse_ipb.py
└── Makefile

디렉토리	역할
include/	알고리즘 공개 API 헤더. bench/, test/는 이곳만 참조.
src/	알고리즘 구현. aes_internal.h는 aes.c, aes_variant.c 전용 내부 헤더.
bench/	callgrind 기반 벤치마크 하네스. 측정 구간 한정, 워밍업, IPB 계산 담당.
test/	NIST CAVP 및 KISA 테스트 벡터 기반 구현 정확성 검증.
test/vectors/	테스트 벡터 데이터 파일.
scripts/	bench.sh: 실행 진입점. parse_ipb.py: callgrind 출력 파싱 및 IPB 계산.

요구 환경

• OS: Linux
• GCC >= 11
• Valgrind >= 3.20
• Python >= 3.8

빌드

make

• 벤치마크 워커 바이너리: bin/bench (정적 링크)

테스트:

make test

실행

./scripts/bench.sh

• 의도된 벤치마크 진입점은 scripts/bench.sh
• bin/bench는 최소한의 인자 검증만 수행함 scripts/bench.sh가 유효한 인자를 전달한다고 가정
• callgrind 출력: 프로젝트 루트에 callgrind_${algo}_${size}MB_${dir}.out로 저장
• IPB 계산 결과: 표준 출력

라이선스

MIT License. LICENSE 참조.