《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于FPGA的ZUC-256算法實現(xiàn)架構(gòu)分析
電子技術(shù)應(yīng)用
賈旭光1,,徐頌2,,白海通3,鄧超1
1.華北計算機(jī)系統(tǒng)工程研究所,,北京 100083,;2.中電智能科技有限公司,北京 102209,; 3.中國人民解放軍陸軍,,北京 100044
摘要: 分析了ZUC-256算法架構(gòu),針對算法中多輸入模231-1加法,,提出了多種適用于FPGA的實現(xiàn)架構(gòu),。通過分析關(guān)鍵路徑,提出全硬件和軟硬協(xié)同等多種優(yōu)化方案,,可適用于不同的應(yīng)用場景,。以Zynq-7000系列FPGA為例,詳細(xì)對比了各個方案的性能差異,。經(jīng)驗證,,提出的方案可同時適用于ZUC-128和ZUC-256算法,可以廣泛應(yīng)用于4G LTE和5G-NR移動通信中,。
關(guān)鍵詞: ZUC-256 FPGA 5G CSA
中圖分類號:TN918.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.234186
中文引用格式: 賈旭光,,徐頌,白海通,,等. 基于FPGA的ZUC-256算法實現(xiàn)架構(gòu)分析[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,,2023,49(12):45-49.
英文引用格式: Jia Xuguang,,Xu Song,,Bai Haitong,,et al. Implementation and architecture analysis of ZUC-256 algorithm based on FPGA[J]. Application of Electronic Technique,2023,,49(12):45-49.
Implementation and architecture analysis of ZUC-256 algorithm based on FPGA
Jia Xuguang1,,Xu Song2,Bai Haitong3,,Deng Chao1
1.National Computer System Engineering Research Institute of China,, Beijing 100083, China,; 2.Intelligence Technology of CEC Co.,,Ltd., Beijing 102209,, China;3.PLA Army,, Beijing 100044,, China
Abstract: The ZUC-256 algorithm architecture is analyzed,and a couple of implementation architectures suitable for FPGA are proposed for the multiple-input modulo 231-1 adder. By analyzing the critical path, various optimization schemes such as full hardware and hardware-software codesign are proposed, which can be applied to different application scenarios. Taking Zynq-7000 FPGA for example, the performance differences of each scheme are compared in detail. It has been verified that the proposed scheme can be applied to both ZUC-128 and ZUC-256 algorithms, and can be widely used in 4G LTE and 5G-NR mobile communication.
Key words : ZUC-256,;FPGA,;5G;CSA

0 引言

祖沖之密碼(ZUC)算法為我國自主設(shè)計的密碼算法,,主要包含流加密算法和完整性算法,。2011年,ZUC算法被3GPP批準(zhǔn)成為4G LTE國際密碼算法標(biāo)準(zhǔn),。近年來,,隨著新一代移動通信5G-NR標(biāo)準(zhǔn)的確定,我國也在大力推廣5G通信相關(guān)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化,。3GPP在會議中明確5G通信中使用128 bit和256 bit密鑰的對稱加密算法,,并保持向4G兼容。為此,,我國在ZUC-128的基礎(chǔ)上提出了ZUC-256算法,。ZUC-256由128 bit密鑰升級為256 bit密鑰,提供消息加密和認(rèn)證功能,,可廣泛應(yīng)用于5G移動通信的安全保護(hù),。目前針對ZUC算法的研究已經(jīng)有多種快速軟件實現(xiàn)和硬件優(yōu)化實現(xiàn)方案[1-5],本文通過分析ZUC算法架構(gòu)和工作流程,,提出一種軟硬協(xié)同實現(xiàn)方案,,經(jīng)驗證,相比單硬件實現(xiàn)有較大的性能提升,。

本文將內(nèi)容分為3個部分,,第一部分為背景技術(shù)介紹,分析了ZUC-256算法結(jié)構(gòu),并對比了ZUC-256和ZUC-128的差異,;第二部分為FPGA實現(xiàn),,首先分析了ZUC算法涉及的運算單元,重點介紹了模231-1加法器的實現(xiàn)方式,,提出了4種6輸入模231-1加法器實現(xiàn)架構(gòu),,然后通過分析關(guān)鍵路徑以及引入流水線架構(gòu),提出了全硬件和軟硬件協(xié)同架構(gòu)實施方案,,最后對不同實現(xiàn)架構(gòu)進(jìn)行了性能分析,;第三部分為總結(jié)與展望。


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作者信息:

賈旭光1,,徐頌2,,白海通3,鄧超1

(1.華北計算機(jī)系統(tǒng)工程研究所,,北京 100083,;2.中電智能科技有限公司,北京 102209,;
3.中國人民解放軍陸軍,,北京 100044)




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