[发明专利]ZUC-256流密码轻量级硬件系统

说明书

本发明提出了一种ZUC‑256流密码轻量级硬件系统，包括流密码生成结构和标签值计算结构。流密码生成结构包括线性反馈移位寄存器、位重组层和有限状态自动机。线性反馈移位寄存器中采用进位保存加法器进行合并计算，并提出了两种ZUC‑256流密码的结构，用于减少线性反馈移位寄存器中的关键路径延迟。标签值计算结构采用96位寄存器，根据流密码生成结构所生成的32位流密码进行标签值的计算，并输出64位标签值。标签值计算结构在一个时钟周期可以并行处理32位消息，节省了大量的计算时间。本发明相较于现有的设计，使用了更少的资源，能够实现高吞吐量，可以在0.71us对128字节的数据进行加密。

技术领域

本发明属于应对于5G通信和量子计算机的流密码技术领域，具体涉及一种ZUC-256流密码轻量级硬件系统。

背景技术

流密码是一种对称性的密码算法，它可以很容易地在硬件中实现并且得到很高的性能。由于流密码在加密和解密过程中速度快，并且在传播过程中误差小，所以经常被用于无线通信。ZUC-128和ZUC-256都是流密码。ZUC-128算法能够提供128位的安全性，但由于下一代5G通信和量子化的发展，ZUC-128在不久的将来将无法满足要求。基于以上原因，作为ZUC-128的升级版本，ZUC-256算法于2018年被提出。ZUC-256算法一共包括两个子算法，分别是ZUC流密码(ZUC)和完整性算法(EIA3)。ZUC-256算法的输入来自一个256位的密钥和一个184位的初始向量，在输出阶段每个周期输出一个32位的流密码。EIA3算法基于ZUC流密码产生的结果，该算法可以通过判断信息的每一个比特来计算出一个标签(Tag)结果，该Tag结果用作数字签名。

目前关于ZUC-256的硬件实现的研究较少，然而，对于ZUC-128的硬件设计已经有了大量的研究。尽管ZUC-256相较于ZUC-128做出一些变化，但是ZUC-128的结构依旧对于ZUC-256具有参考价值。Wang等人在2011年提出了三种不同的优化的架构来实现ZUC-128，并且比较了这三种架构的整体性和复杂性(参见非专利文献1)。2012年Wang等人提出一种高吞吐率的结构(参见非专利文献2)，但是该结构消耗了太多的资源。2016年，一个基于ZUC-256的机密性算法(EEA3)的架构被提出(参见非专利文献3)。2020年Wang等人提出一种五级流水的ZUC-256流密码实现方案，其吞吐率达到了3.687Gbps(参见非专利文献4)。由于ZUC算法主要用于通信传输信息的加密，因此常常在资源受限设备上进行使用，所以针对于ZUC算法的低资源设计尤为关键。

非专利文献1：LIU Zongbin et al.Efficient pipelined stream cipher ZUCalgorithm in FPGA[C].First Int’l Workshop on ZUC Algorithm，China.2010.

非专利文献2：ZHANG Lingchen，et al.Evaluating the OptimizedImplementations of SNOW3G and ZUC on FPGA[C].2012 IEEE 11th InternationalConference on Trust，Security and Privacy in Computing andCommunications.IEEE，2012.

非专利文献3：M.Falaq，S.Abdulhayan.LTE security：EEA-3 using ZUCalgorithm[J].Int.J Innovative Research in Computer and CommunicationEngineering，Vol.4，Issues 7，2016.