《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于FPGA的ZUC-256算法實(shí)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(jì)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(guó)人民解放軍陸軍，北京 100044
摘要： 分析了ZUC-256算法架構(gòu)，針對(duì)算法中多輸入模231-1加法，提出了多種適用于FPGA的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)。通過(guò)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(chǎng)景。以Zynq-7000系列FPGA為例，詳細(xì)對(duì)比了各個(gè)方案的性能差異。經(jīng)驗(yàn)證，提出的方案可同時(shí)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(dòng)通信中。
關(guān)鍵詞： ZUC-256 FPGA 5G CSA
中圖分類號(hào)：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(shí)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(guó)自主設(shè)計(jì)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(guó)際密碼算法標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)，隨著新一代移動(dòng)通信5G-NR標(biāo)準(zhǔn)的確定，我國(guó)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(huì)議中明確5G通信中使用128 bit和256 bit密鑰的對(duì)稱加密算法，并保持向4G兼容。為此，我國(guó)在ZUC-128的基礎(chǔ)上提出了ZUC-256算法。ZUC-256由128 bit密鑰升級(jí)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(dòng)通信的安全保護(hù)。目前針對(duì)ZUC算法的研究已經(jīng)有多種快速軟件實(shí)現(xiàn)和硬件優(yōu)化實(shí)現(xiàn)方案[1-5]，本文通過(guò)分析ZUC算法架構(gòu)和工作流程，提出一種軟硬協(xié)同實(shí)現(xiàn)方案，經(jīng)驗(yàn)證，相比單硬件實(shí)現(xiàn)有較大的性能提升。

本文將內(nèi)容分為3個(gè)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(duì)比了ZUC-256和ZUC-128的差異；第二部分為FPGA實(shí)現(xiàn)，首先分析了ZUC算法涉及的運(yùn)算單元，重點(diǎn)介紹了模231-1加法器的實(shí)現(xiàn)方式，提出了4種6輸入模231-1加法器實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，然后通過(guò)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(shí)施方案，最后對(duì)不同實(shí)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(jì)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(guó)人民解放軍陸軍，北京 100044）




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