[發(fā)明專利]一種基于FPGA的ZUC加密系統(tǒng)IP核構(gòu)建方法

有效

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• 申請日: 2020-10-13
• 公開（公告）號: CN112367155B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 丁群;余龍飛;李孝友;張仁秀;丁威
• 申請（專利權(quán)）人: 黑龍江大學(xué)
• 主分類號: H04L9/00
• 分類號: H04L9/00;H04L9/08
• 代理公司: 哈爾濱市哈科專利事務(wù)所有限責(zé)任公司 23101
• 代理人: 吳振剛

本發(fā)明提供一種基于FPGA的ZUC加密系統(tǒng)IP核構(gòu)建方法，采用ZUC為密鑰流產(chǎn)生算法，用改進的基于一維離散混沌系統(tǒng)Logistic混沌系統(tǒng)的輸出作為ZUC的初始向量IV，在用硬件實現(xiàn)加密系統(tǒng)時，采用流管理模式實現(xiàn)各個模塊之間的數(shù)據(jù)交互。在該傳輸模式中，上下游均有叫停對方的權(quán)利和響應(yīng)對方被叫停的義務(wù)，傳輸保證握手邏輯正確和數(shù)據(jù)的連續(xù)性，在相應(yīng)模塊內(nèi)部通過加入FIFO存儲器來緩存，使得上下游之間發(fā)散的潛伏期得以收斂到1，從而真正發(fā)揮FPGA并行工作的優(yōu)勢，進而有效地提高整個加密系統(tǒng)的運行速度。本發(fā)明通過序列密碼中重要的參數(shù)初始向量IV將序列密碼同混沌相結(jié)合，使得整個系統(tǒng)的密鑰達到定時更換，從而進一步提升整個系統(tǒng)的保密性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于數(shù)據(jù)加密領(lǐng)域，具體涉及一種基于FPGA的ZUC加密系統(tǒng)IP核構(gòu)建方法。

背景技術(shù)

ZUC加密算法是由我國自主設(shè)計的一種面向商用的流加密算法，目前已被批準(zhǔn)成為新一代寬帶無線移動通信系統(tǒng)國際標(biāo)準(zhǔn)，是一種面向字的流加密算法，它以128-bit的初始密鑰KEY和128-bit的初始向量IV作為輸入，算法的輸出為位寬32-bit的字序列，即密鑰序列，密鑰序列可用作對數(shù)字信息進行加解密。

ZUC加密算法從邏輯上可以分為三層，從上到下依次為線性反饋移位寄存器層(LFSR)，比特重組層(BR)和非線性函數(shù)層(F)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

線性反饋移位寄存器層(The Linear Feedback Shift Register，LFSR)，類似m序列發(fā)生器，將不同的寄存器之間的數(shù)據(jù)進行模加運算，將得到的新值注入最高位的寄存器S₁₅。并且外界注入的初始密鑰KEY和初始向量IV都是注入到LFSR的16個31bit的寄存器中。

比特重組層(The Bit-Reorganization，BR)從LFSR層的寄存器單元中提取出128-bit數(shù)據(jù)，將其組織為4個32-bit的字，即圖1中的X0，X1，X2和X3。

非線性函數(shù)層的結(jié)構(gòu)中含有兩個位寬32-bit的寄存器單元R₁和R₂，其輸入是BR層輸出的X0，X1和X2，輸出是位寬為32-bit的W，其中S為32比特的S盒變換，它為F層注入非線性特性。F函數(shù)中使用的32×32的S盒是由4個并列的8×8的S盒組成的，即S＝(S₀,S₁,S₂,S₃)，其中S₀＝S₂,S₁＝S₃。

混沌以其高初值敏感性、確定性系統(tǒng)中的內(nèi)在隨機性、具有正Lyapunov指數(shù)、有界性和遍歷性等諸多奇特的動力學(xué)特性，使得混沌在非常適合應(yīng)用于保密通信。Logistic映射又稱蟲口模型或拋物線映射，最初是為研究昆蟲增殖而建立的模型，由生物學(xué)家R M May在1976年提出，Logistic映射具有內(nèi)在隨機性、初值敏感性等混沌系統(tǒng)的特征，其混沌動力學(xué)方程較為簡單，并且本身的特點使其易于使用數(shù)字硬件實現(xiàn)，因此本設(shè)計中以Logistic映射為基礎(chǔ)，生成用于ZUC加密算法的初始向量IV。

Logistic混沌映射的系統(tǒng)方程描述為：

x_n+1＝μx_n(1-x_n)n＝1,2,3…(1-1)

式(1-1)中，變量x_n∈(0,1)，系統(tǒng)參數(shù)μ∈(0,4]，當(dāng)3.5699…＜μ≤4時，系統(tǒng)處于混沌狀態(tài)。Logistic混沌系統(tǒng)的動力學(xué)狀態(tài)是隨著系統(tǒng)參數(shù)μ的變化而變化的，詳細的表現(xiàn)有以下幾個方面：

1)當(dāng)μ∈(0,1)時，Logistic映射存在x_n→0的不動點；

2)當(dāng)μ∈[1,3)時，Logistic映射存在x_n→0和x_n→1-1/μ的不動點；