ZUC算法原理及實(shí)現(xiàn)過程

1、ZUC算法原理及實(shí)現(xiàn)過程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平安算法組SA立項(xiàng)，正式申請(qǐng)參與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)過評(píng)估，于2011年9月正式被3GPPSA全會(huì)通過，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)面對(duì)字的流密碼。它接受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。其次個(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 值安排到對(duì)應(yīng)的值（2）算法結(jié)構(gòu)ZUC有三個(gè)規(guī)律層，見下圖。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(3) 線性移位反饋寄存器（）具有16個(gè)31比特的單元

3、，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，可將初始化模式工作原理表示為：LFSRWithInitialisationMode（）1、；2、；3、假如，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、假如，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，而最終一個(gè)字會(huì)在密鑰流的產(chǎn)生中用到。令是中的8個(gè)單元，則形

4、成4個(gè)32比特字的比特重組過程如下：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。的具體過程如下：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88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程將把初始密鑰和初始向量擴(kuò)展為16個(gè)31比特的初

5、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)過程ZUC算法的執(zhí)行過程主要有四個(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