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1、ZUC算法原理及實(shí)現(xiàn)過(guò)程1.1 算法設(shè)計(jì)背景ZUC算法,即祖沖之算法,是3GPP機(jī)密性算法EEA3和完整性算法EIA3的核心,為中國(guó)自主設(shè)計(jì)的流密碼算法。2009年5月ZUC算法獲得3GPP安全算法組SA立項(xiàng),正式申請(qǐng)參加3GPPLTE第三套機(jī)密性和完整性算法標(biāo)準(zhǔn)的競(jìng)選工作。歷時(shí)兩年多的時(shí)間,ZUC算法經(jīng)過(guò)評(píng)估,于2011年9月正式被3GPPSA全會(huì)通過(guò),成為3GPPLTE第三套加密標(biāo)準(zhǔn)核心算法。ZUC算法是中國(guó)第一個(gè)成為國(guó)際密碼標(biāo)準(zhǔn)的密碼算法。1.2 算法原理ZUC是一個(gè)面向字的流密碼。它采用128位的初始密鑰作為輸入和一個(gè)128位的初始向量(IV),并輸出關(guān)于字的密鑰流(從而每32位被稱(chēng)為
2、一個(gè)密鑰字)。密鑰流可用于對(duì)信息進(jìn)行加密/解密。ZUC的執(zhí)行分為兩個(gè)階段:初始化階段和工作階段。在第一階段,密鑰和初始向量進(jìn)行初始化,即不產(chǎn)生輸出。第二個(gè)階段是工作階段,在這個(gè)階段,每一個(gè)時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生一個(gè)32比特的密鑰輸出。(1)運(yùn)算符說(shuō)明 整數(shù)模 整數(shù)比特異或 字符串和b的連接 二進(jìn)制表示的最左16位值 二進(jìn)制表示的最右16位值 向左比特的循環(huán)移位 向右1比特的移位 值分配到對(duì)應(yīng)的值(2)算法結(jié)構(gòu)ZUC有三個(gè)邏輯層,見(jiàn)下圖。頂層為一個(gè)線性反饋移位寄存器()的16個(gè)賽段,中間層是比特重組(),最下層為一個(gè)非線性函數(shù)。圖1 ZUC的整體結(jié)構(gòu)圖1 / 5(3) 線性移位反饋寄存器()具有16個(gè)31
3、比特的單元,每個(gè)單元取值均在下面的集合中: 有兩種模式的操作,即初始化模式和工作模式。在初始化模式中,接收一個(gè)31比特的輸入,是刪除非線性函數(shù)的32位輸出最右邊的位得到的。也就是說(shuō),可將初始化模式工作原理表示為:LFSRWithInitialisationMode()1、;2、;3、如果,則設(shè);4、 在工作模式中,不接收任何輸入,它的工作原理表示為:LFSRWithWorkMode()1、;2、如果,則設(shè);3、;(4) 比特重組ZUC算法的中間層是比特重組,從的單元中提取128比特的輸出并形成4個(gè)32比特的字,前三個(gè)字將用于最底層的非線性函數(shù)中,而最后一個(gè)字會(huì)在密鑰流的產(chǎn)生中用到。令是中的8個(gè)
4、單元,則形成4個(gè)32比特字的比特重組過(guò)程如下:Bitreorganization()1、;2、;3、;4、(5)非線性函數(shù)非線性函數(shù)有2個(gè)32位的存儲(chǔ)單元,即和。令到的輸入為,和,即為比特重組的前三個(gè)輸出,然后函數(shù)輸出一個(gè)32位字。的詳細(xì)過(guò)程如下:1、;2、;3、;4、;5、(6)S盒函數(shù)中包含的S盒是由4個(gè)并列的8×8的S盒組成的(),其中、。、的定義由下面兩張表分別給出:令為(或)的8比特輸入。將表示成十六進(jìn)制,則在查表時(shí)和分別表示S盒的第行和第列。(7)線性變換函數(shù)線性變換和均為32比特字輸入到32比特字的輸出,具體可定義為:(8)密鑰加載密鑰的加載過(guò)程將把初始密鑰和初始向量擴(kuò)
5、展為16個(gè)31比特的初始狀態(tài)。設(shè)為128比特的初始密鑰,為128比特的初始向量,則有:其中,同時(shí),設(shè)為由16個(gè)15比特長(zhǎng)的子數(shù)組組成的240位常值數(shù)組:其中,;設(shè)為的16個(gè)單元,則,有。1.3 算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程ZUC算法的執(zhí)行過(guò)程主要有四個(gè)步驟:密鑰加載, 初始化階段, 工作階段和密鑰流產(chǎn)生階段,具體過(guò)程如下:(1)密鑰加載階段:在密鑰加載階段, 將128位的初始密鑰和128 位的初始化向量載人LFSR, 同時(shí)設(shè)置32 位的記憶單元R1,R2為0值。(2)初始化階段 在初始化階段,執(zhí)行下面的操作32次:1、Bitreorganization();2、;3、LFSRWithInitialisationMode()(3)工作階段 在工作階段, 算法執(zhí)行下面的操作1次, 并棄掉 F的輸出W:1、Bitreorganization();2、;3、LFSRWithWorkMode().(4)密鑰流產(chǎn)生階段 在密鑰流
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