[发明专利]一种应用于5G系统的SNOW-V算法加速器及其加速方法

说明书

本发明提出了一种应用于5G系统的SNOW‑V算法加速器及其加速方法，其中所述加速器包括由两个移位寄存器组成的LFSR模块，用于生成SNOW‑V算法运算所需数据的一个循环结构；还包括由寄存器、加法器和AES加密轮组成的FSM模块，通过FSM中各个单元之间的循环计算，最终生成密钥流不断输出，该密钥流与明文异或后得到密文。本发明提出的硬件架构资源利用率高，能够快速地生成密钥流，同时可以在未来满足5G系统的超高速加密需求。

技术领域

本发明涉及一种应用于5G系统的SNOW-V算法加速器及其加速方法，特别是涉及硬件加速器的技术领域。

背景技术

流密码在保护各代3GPP(3rd Generation Partnership Project)移动电话系统的安全方面一直发挥着重要作用，GSM(Global System for Mobile Communications)通信系统采用了A5系列加密算法，之后SNOW 3G成为保证UMTS(Universal MobileTelecommunications System)和LTE(Long Term Evolution)系统完整性和机密性的核心算法之一。而在5G时代，下一代系统的系统架构和安全级别发生了一些根本性的变化，这些变化在许多情况下使以前的算法失效。

4G 系统基于三种不同的原语 SNOW 3G、AES和ZUC(祖冲之算法)，为完整性 (128-EIAx) 和机密性 (128-EEAx) 定义了三种不同的可能算法。UMTS和LTE中使用的算法均使用128位密钥长度。对于5G系统，3GPP标准化组织希望将安全级别提高到256位密钥长度，而且SNOW 3G的当前基准在纯软件实现中给出了大约9Gbps，这对于5G系统中20Gbps下行链路的目标速度来说太低了。

SNOW-V是由Ekdahl提出的一种流密码，它基于流密码 SNOW 3G，目标是在5G系统中作为加密原语部署。流密码具有 256 位安全性，可以在支持 AES-NI 指令集的架构上高效实现。另外，SNOW-V可以不断产生128位密钥流。

现有技术中，虽然SNOW-V主要针对在虚拟化5G网络中变得越来越重要的软件实现进行了优化，但算法运行的速度仍是不能满足实际需求。

发明内容

发明目的：提出一种应用于5G系统的SNOW-V算法加速器及其加速方法，以解决现有技术存在的上述问题，同时满足在5G系统中对超高速加密的需求。

技术方案：第一方面，提出了一种应用于5G系统的SNOW-V算法加速器，该加速器具体包括：LFSR模块和FSM模块，并通过输入密钥和初始化向量对加速器进行初始化。

进一步的，由LFSR模块产生数据输入FSM模块进行循环计算，产生128位密钥流，该密钥流与明文异或后得到密文。

通过构建应用于5G系统的SNOW-V算法加速器不仅可以实现针对SNOW-V算法的高速运算，同时可以满足在5G系统中对超高速加密的需求。

在第一方面的一些可实现方式中，LFSR模块是由两个移位寄存器组成的循环结构，两个移位寄存器LFSR-A和LFSR-B都分别包括16个单元，其中每一个单元的数据都为16位，所以一个移位寄存器的总长度为256位。

进一步的，移位寄存器最高单元的数据由反馈计算单元得出，剩余低位单元的数据由相邻的高位单元移动获得；当移动一个单元的数据时，每移动8次则可获得全新的一半数据。

其中，反馈计算单元涉及有限域运算，是由异或门和与门组成的组合逻辑电路，用于有限域运算，并通过一个异或门和一个与门的组合，完成一次专用的有限域乘法。

在第一方面的一些可实现方式中，FSM模块接收到的数据来自LFSR模块的两个移位寄存器中，其中所述移位寄存器包括：LFSR-A寄存器和LFSR-B寄存器。