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。
中图分类号：TN918.4 文献标志码：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.234186
中文引用格式： 贾旭光，徐颂，白海通，等. 基于FPGA的ZUC-256算法实现架构分析[J]. 电子技术应用，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： 贾旭光，徐颂，白海通，等. 基于FPGA的ZUC-256算法实现架构分析[J]. 电子技术应用，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
祖冲之密码(ZUC)算法为我国自主设计的密码算法，主要包含流加密算法和完整性算法。2011年，ZUC算法被3GPP批准成为4G LTE国际密码算法标准。近年来，随着新一代移动通信5G-NR标准的确定，我国也在大力推广5G通信相关的研发和产业化。3GPP在会议中明确5G通信中使用128 bit和256 bit密钥的对称加密算法，并保持向4G兼容。为此，我国在ZUC-128的基础上提出了ZUC-256算法。ZUC-256由128 bit密钥升级为256 bit密钥，提供消息加密和认证功能，可广泛应用于5G移动通信的安全保护。目前针对ZUC算法的研究已经有多种快速软件实现和硬件优化实现方案[1-5]，本文通过分析ZUC算法架构和工作流程，提出一种软硬协同实现方案，经验证，相比单硬件实现有较大的性能提升。
本文将内容分为3个部分，第一部分为背景技术介绍，分析了ZUC-256算法结构，并对比了ZUC-256和ZUC-128的差异；第二部分为FPGA实现，首先分析了ZUC算法涉及的运算单元，重点介绍了模231-1加法器的实现方式，提出了4种6输入模231-1加法器实现架构，然后通过分析关键路径以及引入流水线架构，提出了全硬件和软硬件协同架构实施方案，最后对不同实现架构进行了性能分析；第三部分为总结与展望。
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作者信息：
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）
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