基于FPGA的ZUC-256算法实现架构分析
电子技术应用
贾旭光1，徐颂2，白海通3，邓超1
1.华北计算机系统工程研究所，北京 100083；2.中电智能科技有限公司，北京 102209； 3.中国人民解放军陆军，北京 100044
摘要： 分析了ZUC-256算法架构，针对算法中多输入模231-1加法，提出了多种适用于FPGA的实现架构。通过分析关键路径，提出全硬件和软硬协同等多种优化方案，可适用于不同的应用场景。以Zynq-7000系列FPGA为例，详细对比了各个方案的性能差异。经验证，提出的方案可同时适用于ZUC-128和ZUC-256算法，可以广泛应用于4G LTE和5G-NR移动通信中。
中圖分類號：TN918.4 文獻標志碼：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算法實現架構分析[J]. 電子技術應用，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.
中文引用格式： 賈旭光，徐頌，白海通，等. 基于FPGA的ZUC-256算法實現架構分析[J]. 電子技術應用，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批準成為4G LTE國際密碼算法標準。近年來，隨著新一代移動通信5G-NR標準的確定，我國也在大力推廣5G通信相關的研發和產業化。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，提供消息加密和認證功能，可廣泛應用于5G移動通信的安全保護。目前針對ZUC算法的研究已經有多種快速軟件實現和硬件優化實現方案[1-5]，本文通過分析ZUC算法架構和工作流程，提出一種軟硬協同實現方案，經驗證，相比單硬件實現有較大的性能提升。
本文將內容分為3個部分，第一部分為背景技術介紹，分析了ZUC-256算法結構，并對比了ZUC-256和ZUC-128的差異；第二部分為FPGA實現，首先分析了ZUC算法涉及的運算單元，重點介紹了模231-1加法器的實現方式，提出了4種6輸入模231-1加法器實現架構，然后通過分析關鍵路徑以及引入流水線架構，提出了全硬件和軟硬件協同架構實施方案，最后對不同實現架構進行了性能分析；第三部分為總結與展望。
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作者信息：
賈旭光1，徐頌2，白海通3，鄧超1
（1.華北計算機系統工程研究所，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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