【摘 要】
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随着计算机技术的高速发展,越来越多的数据通过互联网进行传输,但是这也导致各种形式的信息泄露事件频发,信息安全面临着前所未有的严峻形势。对数据进行加密是保证信息安全的有效手段,各国为了实现信息安全领域的自主可控,均提出了相应的密码算法标准。我国在密码学领域也取得了较大的发展,其中由我国自主研究并提出的祖冲之（ZUC）流密码算法已被3GPP组织采纳为4G无线通信的候选加密算法。这是我国的商用密码算法首
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随着计算机技术的高速发展,越来越多的数据通过互联网进行传输,但是这也导致各种形式的信息泄露事件频发,信息安全面临着前所未有的严峻形势。对数据进行加密是保证信息安全的有效手段,各国为了实现信息安全领域的自主可控,均提出了相应的密码算法标准。我国在密码学领域也取得了较大的发展,其中由我国自主研究并提出的祖冲之（ZUC）流密码算法已被3GPP组织采纳为4G无线通信的候选加密算法。这是我国的商用密码算法首次走出国门参与国际标准的竞争,证明了ZUC算法的可靠性。后续为保证5G无线通信数据的安全性,我国提出ZUC-256流密码算法。目前针对ZUC-256算法在硬件实现方面的研究还较少,相关的设备也较为稀缺。本文在“基于国产芯片的加解密设备研制”项目的基础上,设计了一款基于ZUC-256算法的多通道加解密设备,目前该设备已经应用于某国防项目中。本文具体有以下创新:（1）针对多通道数据的加解密需求,对ZUC-256加解密模块进行了优化。通过FUXI软件分析了设计的关键路径,采用移位运算的方式替换了其中较为复杂的模乘运算,并提出了一种基于改进的31位超前进位加法器的结构用于实现其中的mod(232-1)加运算。在对关键路径进行优化后将模块的最大运行频率从40.4MHz提升到63.3MHz。针对S盒占用过多资源问题,提出一种分时分发参数数据的方法,优化了S盒的资源占用。另外在S盒优化的基础上增加了对组合逻辑的优化,最终优化后平均每个通道的ZUC-256加解密模块资源占用仅为1.2K LE,优化率达到64%,优化效果好于目前现有方案。（2）设备采用ARM处理器+FPGA的架构,ARM处理器主要负责逻辑控制和任务分配,FPGA负责数据的加解密操作。基于FUXI软件提供的AHB interface EMB IP核,设计了ARM处理器和FPGA之间的数据通信协议,并在ARM处理器上移植了国产的RT-Thread实时操作系统和应用框架。应用框架包括基于现有硬件系统设计的初始化线程、密钥更新线程以及加解密线程,后期用户可以在操作系统的基础上根据自己的需求方便的开发出具体的相关应用,拓宽了设备的使用场景。
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