《電子技術(shù)應(yīng)用》
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TOYOCRYPT-HS1算法高速實(shí)現(xiàn)研究
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2012年第7期
王雪瑞1,， 胡廣平1， 李 淼2,， 劉 松3
1. 河南工程學(xué)院,，河南 鄭州451191; 2. 解放軍信息工程大學(xué)，河南 鄭州450004; 3. 沈陽(yáng)軍區(qū)65012部隊(duì),，遼寧 沈陽(yáng)110101
摘要： 提出了一種TOYOCRYPT-HS1算法高速實(shí)現(xiàn)架構(gòu),，不僅能夠滿足算法中LFSR特征多項(xiàng)式可變的要求，而且實(shí)現(xiàn)了LFSR和非線性布爾函數(shù)的并行化設(shè)計(jì),，顯著提高了算法的處理性能,。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和性能比較可以看出，該TOYOCRYPT-HS1算法高速實(shí)現(xiàn)架構(gòu)具有較大的性能優(yōu)勢(shì),，最大吞吐率達(dá)到1.54 Gb/s,。
中圖分類號(hào)： TP309
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2012)07-0144-03
High-speed architecture for TOYOCRYPT-HS1 algorithm
Wang Xuerui1, Hu Guangping1, Li Miao2, Liu Song3
1. Henan Institute of Engineering, Zhengzhou 451191, China; 2. The PLA Information Engineering University, Zhengzhou 450004, China; 3. 65012 Unit, Shenyang Military Area, Shenyang 110101, China
Abstract： In this paper, a high-speed architecture for TOYOCRYPT-HS1 algorithm is proposed, which can not only satisfy requirements of variable characteristic polynomials of LFSR, but also realize parallel processing of LFSR and nonlinear Boolean function. Finally, implementation and performance comparison have also been accomplished. The results prove that the proposed high-speed architecture for TOYOCRYPT-HS1 algorithm has obvious performance advantage and its maximum throughput can achieve 1.54 Gb/s.
Key words : stream cipher; TOYOCRYPT-HS1; linear feedback shift register; nonlinear boolean function; parallel processing

    序列密碼[1]又稱流密碼，是現(xiàn)代密碼學(xué)的一個(gè)重要分支,，利用不斷變化的加密變換對(duì)明文消息進(jìn)行逐字符（通常為二進(jìn)制數(shù)）的加密變換,，是“一次一密”的密碼體制。因其具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,、加解密速度快,、密文傳輸中的錯(cuò)誤不會(huì)在明文中產(chǎn)生大范圍擴(kuò)散等特點(diǎn)，已成為新一代通信系統(tǒng)的主流加密算法[2],。

    前饋模型是一種典型的序列密碼結(jié)構(gòu)模型,，一般由1~n個(gè)反饋移位寄存器和前饋函數(shù)構(gòu)成[3],。反饋移位寄存器的狀態(tài)值不僅參與自身反饋函數(shù)的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)更新,，同時(shí)要輸出到前饋函數(shù)中完成密鑰的計(jì)算生成,。TOYOCRYPT-HS1算法[4-7]是提交給日本技術(shù)信息促進(jìn)機(jī)構(gòu)密碼研究評(píng)估委員會(huì)的一個(gè)序列密碼算法，是一種典型的前饋模型序列密碼,。其線性反饋移位寄存器LFSR（Linear Feedback Shift Register）基于Galois配置,，第i級(jí)輸出序列由第i+t級(jí)的輸出序列右移d位形成，d的值只能通過求解GF(2n)上的一個(gè)離散對(duì)數(shù)問題才能得到,，且d的值一般都很大[8],。可見,，無論從安全性方面還是高效性方面,，Galois配置的LFSR（下文中的LFSR特指Galois配置的LFSR）都是一種非常重要的計(jì)算結(jié)構(gòu)，因而TOYOCRYPT-HS1算法具有一定的典型性,，研究其高速實(shí)現(xiàn)方法具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值,。


    寄存器堆是架構(gòu)的重要部件，根據(jù)存儲(chǔ)信息的不同用途,，可劃分為密鑰寄存器,、配置寄存器以及數(shù)據(jù)寄存器。密鑰寄存器用來存儲(chǔ)算法的128 bit主密鑰,；配置寄存器用來存儲(chǔ)由特征多項(xiàng)式?jīng)Q定的128 bit反饋抽頭,，以滿足算法中反饋抽頭位置可變的要求；數(shù)據(jù)寄存器用來存儲(chǔ)運(yùn)算中產(chǎn)生的臨時(shí)數(shù)據(jù),，既可以實(shí)現(xiàn)小于等于d的可變步數(shù)的LFSR并行更新操作,，又能夠支持密鑰的并行生成。
    根據(jù)LFSR的并行更新原理,，依據(jù)提出的LFSR狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣列向量預(yù)計(jì)算算法,，LFSR并行更新電路根據(jù)LFSR的反饋抽頭、LFSR的狀態(tài)序列,、并行更新時(shí)每一步對(duì)應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣首列反饋抽頭和首位狀態(tài)信息等,在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)計(jì)算生成1~d步的并行更新數(shù)據(jù),。
    算法中非線性布爾函數(shù)f(x0,x1,…，x127)中有1個(gè)1次項(xiàng),、63個(gè)2次與項(xiàng),、1個(gè)4次與項(xiàng)、1個(gè)17次與項(xiàng)和1個(gè)63次與項(xiàng),。分析各種與項(xiàng)的構(gòu)成,，考慮輸入變量數(shù)量,、與項(xiàng)的次數(shù)和個(gè)數(shù),，2次,、4次低次與項(xiàng)可以采用查找表的方式實(shí)現(xiàn)，17次,、63次高次與項(xiàng)可以采用與陣列的方式實(shí)現(xiàn),，所有與項(xiàng)的計(jì)算結(jié)果與1次項(xiàng)一起經(jīng)由“異或”運(yùn)算產(chǎn)生1 bit密鑰輸出。架構(gòu)中共設(shè)置d個(gè)非線性布爾函數(shù)單元,，每個(gè)單元與某一時(shí)刻LFSR狀態(tài)序列中的某些狀態(tài)位連接,，能夠同時(shí)計(jì)算輸出d bit密鑰。
4 實(shí)現(xiàn)結(jié)果與性能分析
4.1實(shí)現(xiàn)結(jié)果
    本文采用Verilog HDL硬件描述語言對(duì)TOYOCRYPT-HS1算法高速實(shí)現(xiàn)架構(gòu)進(jìn)行RTL級(jí)建模,，并選用Altera公司Stratix III系列FPGA中的EP3SL340F1760C3芯片作為目標(biāo)器件,，在Quartus II 9.0環(huán)境下進(jìn)行編譯和綜合。表1給出了該架構(gòu)在不同并行更新步數(shù)下基于FPGA的實(shí)現(xiàn)結(jié)果,。


4.2 性能分析
    圖3給出了本文提出的高速架構(gòu)與參考文獻(xiàn)[4]中TOYOCRYPT-HS1算法實(shí)現(xiàn)的性能比較,。參考文獻(xiàn)[4]沒有進(jìn)行并行處理，每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)LFSR更新1步,，同時(shí)輸出1 bit密鑰,。而本文提出的高速架構(gòu)采用了并行化設(shè)計(jì)技術(shù)，LFSR的并行更新和非線性布爾函數(shù)的密鑰生成分別在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成,，所有該架構(gòu)能夠在2個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)輸出d bit密鑰,。比較發(fā)現(xiàn)，通過采用并行化的設(shè)計(jì)方法,本文提出的高速架構(gòu)大大提升了TOYOCRYPT-HS1算法的處理性能,具有明顯的性能優(yōu)勢(shì),。

 

 

    本文分析了TOYOCRYPT-HS1算法的結(jié)構(gòu)特征,，研究了LFSR的并行更新技術(shù)，提出了一種高速實(shí)現(xiàn)TOYOCRYPT-HS1算法的硬件架構(gòu),?；诳芍貥?gòu)的設(shè)計(jì)思想，將由固定密鑰生成的特征多項(xiàng)式作為L(zhǎng)FSR反饋抽頭配置信息,，能夠滿足算法中LFSR特征多項(xiàng)式可變的要求,，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了LFSR和非線性布爾函數(shù)的并行化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，本文設(shè)計(jì)的TOYOCRYPT-HS1算法高速實(shí)現(xiàn)架構(gòu)在處理性能上具有較大的優(yōu)勢(shì),，最大吞吐率達(dá)到1.54 Gb/s。
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