一种资源优化的祖冲之算法的硬件实现方法

祖冲之(ZUC)算法是我国自主设计的流密码算法,该算法在2011年12月被3GPP LTE采纳为国际加密标准,即第四代移动通信加密标准。目前,基于祖冲之算法的FPGA设计在国内外引起了广泛的关注。本文在实现祖冲之加/解密系统的基础上,提出了一种资源优化的祖冲之算法的硬件实现方法。该方法优化了原祖冲之算法中对S盒进行并行寻址的逻辑,采用分时复用的寻址逻辑。经过仿真与综合,结果表明本文提出的方法大幅降低了系统的资源开销,当复用的寻址逻辑最多时,系统的资源开销可以降低45%。

祖冲之算法在数字图像加密中的应用与实现

分析了多种现有的数字图像加密算法,以寻求一种安全性高、软硬件实现简单的数字图像加密算法。祖冲之(ZUC)算法因其采用了线性反馈移位寄存器(LFSR),比特重组(BR)和非线性函数F的三层结构设计,极大地增强了该算法的安全性。而且,ZUC算法在设计时充分考虑了软硬件实现的复杂度,所以ZUC算法的软硬件实现开销较小,硬件实现功耗小。此外,由于ZUC算法流式产生密钥的快速实时性,非常适合用于数字图像的加解密。最后,将ZUC算法实现,并对数字图像进行加解密,取得了很好的加密效果。

基于FPGA的祖冲之算法硬件实现

为在现场可编程门阵列(FPGA)平台上更高效地实现祖冲之算法,提出一种新的硬件实现方法。利用祖冲之算法的迭代特性、并行特性以及模加的性质,减少加法器的使用数量,包括使用资源占用少、延时少的简单加法器替代资源占用多、延时长的进位保留加法器以及mod(231-1)加法器,实现祖冲之算法关键路径中多次mod(231-1)加法运算。使用QuartusⅡ与ISE软件进行了仿真验证,结果表明,该方法在芯片资源占用仅为305个slice的情况下达到了5.322 Gb/s的吞吐量,与目前已有的最优实现方法相比,芯片资源占用减少了近23%,单位面积的吞吐量提高了25.9%,可以在减少芯片硬件资源占用的同时快速实现ZUC算法。

祖冲之算法的安全分析

分析了面向字序列的流密码体制祖冲之算法(ZUC)的安全性。ZUC算法使用128比特的初始密钥和128比特的初始向量,生成32比特的密钥字序列。其整体结构由线性反馈移位寄存器(LFSR)、比特重组(BR)和非线性函数F组成。文中先猜一部分内部单元,然后去推导剩余的,从而得知密钥生成所用的全部内部单元。其穷尽搜索复杂度为O(2128),文中所讲述的方法复杂度为O(212 6)。因此减少了搜索复杂度。实际应用的ZUC算法中前32步只用来初始化,没有生成密钥,而且丢弃第33步的结果。而文中是让算法初始化两步,从第三步开始进行密钥流的输出,进而说明ZUC算法的安全性,这也说明ZUC在前33步不输出密钥的初衷是为了增进安全性,避免受到此类攻击。

祖冲之算法分析及其硬件实现

详细分析了3GPP LTE国际加密标准祖冲之(ZUC)算法的结构及其硬件实现过程。ZUC流式加密算法采用了线性反馈移位寄存器(LFSR),比特重组(BR)和非线性函数F的三层结构设计,具有很高的安全性。同时,ZUC算法在设计时就充分考虑了软硬件实现的低复杂度,因此非常适合于硬件实现。ZUC算法在Altera的Cyclone FPGA上实现,需要2 013个逻辑单元,不需要存储器。在中芯国际SMIC 0.18μm的CMOS工艺上实现的芯片面积为109 823μm2。

祖冲之算法硬件实现与研究

祖冲之(ZUC)算法是我国自主研制,纳入新一代宽带无线移动通信系统的国际加密标准,考虑现阶段祖冲之流密码算法的实现多为软件,效率和速度还有待提高。为适应大数据时代对高速数据实时加密的需求以及进一步推广ZUC算法的使用,结合ZUC算法特性,利用硬件描述语言VHDL对其进行高效的FPGA硬件设计,并使用Xilinx公司ISE软件进行综合仿真验证设计正确性,最后将模块封装成IP软核。结合Xilinx公司的ARM与FPGA联合平台设计相应的接口软件进行实际测试,性能分析和资源评估,为ZUC算法提供了一种高效硬件设计参考。最后给出ZUC模块在实际加密视频数据的应用,与纯软件实现相同功能相比,系统性能提升了3倍以上,可以满足实时视频数据的加密。

基于改进祖冲之算法的安全跳频通信系统

跳频通信具有良好的抗干扰和抗拦截特性,因此被广泛地应用于很多通信系统中。密码算法的引入可以增强跳频序列的安全性。该文在祖冲之算法3层结构的基础上,对其进行适当的改进,在第1层引入置换多项式方法来增加序列的线性复杂度,并且将第3层替换为演化DES密码算法来增加安全性,进而提出了基于改进ZUC算法的跳频通信系统实现方案。对本方案所产生的跳频序列进行了多种安全性以及随机性测试,实验结果表明:汉明相关性、随机性和动态局部线性复杂度表现良好,并且通过了NIST随机性测试,而后通过Simulink仿真验证了其可行性。

祖冲之序列密码算法IP核的设计与实现

祖冲之序列密码算法是中国自主研究的流密码算法,是运用于下一代移动通信4G网络中的国际标准密码算法,该算法包括祖冲之算法(ZUC)、加密算法(128-EEA3)和完整性算法(128-EIA3)三个部分。目前,已有对ZUC算法的优化实现,而专门针对128-EEA3和128-EIA3的硬件实现与优化,尚未见公开发表的论文。文章设计了祖冲之序列密码算法的IP核,该IP核基于ZUC算法模块,同时支持128-EEA3和128-EIA3,并且保持ZUC模块的高吞吐率。最后,在Virtex-5 FPGA平台上对该IP核进行了实现,并对其性能进行了比较和分析。

基于AHB-Lite总线的祖冲之密码算法IP核研究

目前对祖冲之密码算法的研究大多集中在ZUC算法的优化以及硬件实现上,尚无基于标准总线并包含128-EEA3以及128-EIA3功能的可重用IP(Intellectual Property)核设计方面的研究.设计了基于AMBA AHB-Lite总线结构的祖冲之密码算法IP核,IP核同时包含了128-EEA3和128-EIA3的功能,并基于ARM Cortex-M0DS处理器搭建SOC(System on Chip)对设计进行了验证,最后在Xilinx Spartan6上对系统进行了实现.

祖冲之序列密码算法

祖冲之算法,简称ZUC,是一个面向字设计的序列密码算法,其在128b种子密钥和128b初始向量控制下输出32b的密钥字流.祖冲之算法于2011年9月被3GPP LTE采纳为国际加密标准(标准号为TS 35.221),即第4代移动通信加密标准,2012年3月被发布为国家密码行业标准(标准号为GM/T 0001—2012),2016年10月被发布为国家标准(标准号为GB/T 33133—2016).简单介绍了祖冲之算法,并总结了其设计思想和国内外对该算法安全性分析的主要进展.

祖冲之密码算法纳入ISO标准研究

通过与ISO/IEC 18033-4标准文本中的序列密码算法比较,分析研究了祖冲之算法的新特征、安全性、实现性能以及工业应用等情况。祖冲之算法采用了较为独特的运算,具有强安全性、优秀的软硬件实现性能,且得到广泛的工业应用。

基于祖冲之交换加密水印算法的研究

可交换加密数字水印(CEW)是一种密码和数字水印相结合的技术,用于多媒体信息安全和版权方面的保护。为了保证载体数据的安全性,提出了基于祖冲之(ZUC)的交换加密水印算法。算法采用ZUC序列密码产生密钥,对载体信息进行模运算加密,水印嵌入操作与数据加密操作的先后顺序,不影响含水印密文数据的产生;在提取水印时,可以实现密码和水印操作的交换。实验表明,密文域提取的水印与明文域提取水印一致,含水印图像的质量高,加解密和水印嵌入提取效率更高,且算法具有一定的鲁棒性。

基于FPGA的祖冲之序列密码算法实现

祖冲之序列密码算法是我国自主研发的运用于LTE网络中的国际标准密码算法,该算法包括祖冲之算法(ZUC)、加解密算法(128-EEA3)和完整性检测算法(128-EIA3)三个部分。目前,已有的对整个祖冲之序列密码算法特别是128-EEA3和128-EIA3的实现大多停留在理论。文中对ZUC算法模块、128-EEA3和128-EIA3做了硬件实现,整体设计在保持ZUC算法模块的高吞吐率的同时还可以和高速模块对接。最后,在Sparten-6 FPGA平台上对该设计进行了仿真和实现,并对其性能进行了比较和分析。

一种类自同步ZUC算法的认证加密方案

针对国密ZUC算法的认证加密的安全性、效率以及轻量化需求,提出了一种类自同步ZUC的关联数据认证加密方案ZUCAE。该方案通过改进祖冲之流密码算法(ZUC-256)的LFSR层算法,设计实现了一种类似自同步流密码的ZUC-SSL算法,利用该算法使密文参与到状态更新函数中,用于认证码的生成。ZUC-256算法进行消息加密,通过优化初始化模块,将关联数据嵌入到初始化过程中,实现了密钥流生成和加密并行进行,解密前进行消息认证,减少计算消耗时间,提高方案的安全性。安全性分析结果表明该算法能够抵抗当前主流的基于LFSR设计的流密码相关攻击,且类自同步流密码的设计能增强认证码的安全性。与AES-CGM和AEGIS的效率实验对比表明,在数据规模大的环境下,所提算法的效率高于AES-CGM,与AEGIS的效率相当,具备一定的实用性。

基于国产祖冲之加密算法的移动分组网应用

在密码国产化背景下,文章通过对国产祖冲之密码原理分析、安全性分析、算法配用的详细研究,创新性的在浙江联通移动分组网全网范围内部署祖冲之加密算法对NAS信令加密和完整性保护,并通过浙江联通千万用户级移动数据网络中的试运行,为祖冲之加密算法在全国乃至全球移动通信领域的普及应用积累了丰富的经验,提升国产加密算法的影响力,为我国重要移动数据传输的安全性保驾护航。

基于混沌函数的祖冲之优化系统

为有效防止密码传输中出现暴力破解的情况,提出2种基于混沌函数的祖冲之优化系统:一种为S盒扩展算法,该算法分析了S盒的密码学性能,包括双射线性、非线性度、严格雪崩准则和输出比特间独立性;另一种为对计算结果进行混沌扩展,分析算法的信息熵值。结果表明:2种算法均通过提高算法的安全性与保密性,实现了祖冲之加密算法的优化。

祖冲之序列密码的线性区分攻击分析

为了探讨祖冲之算法(ZUC)的安全性,该文对ZUC算法进行了线性区分攻击分析。文中对ZUC算法中两轮非线性函数F最优化线性逼近,得到线性逼近方程式,计算线性逼近的偏差为2-22.6。利用线性逼近方程式构造仅包含输出密钥流的区分器,并寻找最优掩码使区分器的偏差最大,在最优线性掩码的基础上计算得到区分器的区分偏差为2-65.5。该攻击需要约O(2131比特)密钥流,就能把随机序列与密钥流序列区分开,从理论上证明了ZUC算法的安全性。最后通过与已有的安全性分析结果对比发现,该文的线性区分攻击结果有一定的优越性。

适用于移动通信视频点播的感知加密算法

在视频点播(VOD)应用中,为刺激用户购买高质量的视频版本,往往希望播放的加密视频仍可部分感知,这就是所谓的"感知加密",因此,需要研究特别的加密算法对视频进行加密。针对目前适用于移动通信视频点播的H.264视频感知加密算法较为缺乏的问题,提出了一种基于祖冲之(ZUC)算法和压缩感知(CS)的视频加密算法。首先利用ZUC构建随机测量矩阵,之后利用测量矩阵对量化后的离散余弦变换(DCT)系数进行测量,并将测量值作为新的量化后的DCT系数进行编码,使新的系数与原始系数不同,从而实现加密。最后定义了良好的感知加密算法应具备的特征。实验结果表明,该算法对视频的压缩码率影响较小,具有较低的时间复杂度,并且算法对密钥变化敏感,有较好的感知安全性。

基于ZUC与DWT-SVD的交换加密水印算法

为了有效解决多媒体数据在传输、存储过程中的安全及版权保护问题,提出基于祖冲之序列密码算法(ZUC)与离散小波变换—奇异值分解(DWT-SVD)的交换加密水印算法。该算法基于奇异值不变性,将水印嵌入到奇异值中,通过ZUC算法分别对奇异值矩阵集合、奇异矩阵集合置换加密。水印嵌入操作与加密操作的先后顺序不影响含水印密文的生成,且从含水印密文和解密后的明文中都能提取完整的水印。实验表明,水印的不可见性较好,算法有较高的安全性并具有一定的鲁棒性。

改进型NIST测试对ZUC算法随机序列的可视化检测

保障网络空间安全通常采用序列密码算法对信息进行加密。检测一个序列密码算法的优劣,一般是采用NIST标准中的方法对其产生的随机序列进行测试。NIST提供的检测方法仅对单个序列进行测量具有密钥流利用率不高、结果不够直观等缺点,描述了对NIST的检测方法进行改进后形成系统检测的新方法。首先对密钥流采用多分段计算的方法,增加了密钥流的利用率,使得一个长密钥流形成多个测量度量使测量结果系统化,将所获得的数据进行分组统计,通过公式将系统测量结果转换为二维图像,使得结果直观可视化。将其应用在对ZUC算法的检测上,更好地展现出ZUC算法的统计特性。经过检测后观察到ZUC算法产生的序列密码具有良好的随机性,并且当密钥流越长,图像上的特征点聚集程度越高。