祖冲之序列密码算法-密钥装入与实现细节
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更新于2024-08-09
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"祖冲之密码ZUC流加密序列密码算法用户手册"
祖冲之密码(ZUC)是一种流加密算法,属于序列密码的一种。它的设计目标是提供高效、安全的数据加密服务,尤其适用于无线通信等领域。ZUC算法的核心组件包括线性反馈移位寄存器(LFSR)、比特重组(BR)和非线性函数(F),并涉及到密钥装入和算法运行等关键步骤。
在密钥装入阶段,ZUC算法首先将初始密钥(k)和初始向量(iv)扩展为16个31比特的字,作为LFSR寄存器单元变量s0到s15的初始状态。初始密钥k和向量iv分别由16个8比特的字节组成,而D是一个240比特的常量,分为16个15比特的字串。这些字串在密钥扩展过程中起到重要作用,它们与LFSR的状态交互,生成复杂的密钥流。
ZUC算法的整体结构由以下部分组成:
1. **线性反馈移位寄存器(LFSR)**:LFSR是序列密码的基础,它通过特定的反馈函数生成伪随机序列。在ZUC中,LFSR由16个31比特的寄存器单元构成,每个单元的初始状态由密钥和向量扩展得到。
2. **比特重组(BR)**:这一阶段将LFSR的输出重新组合成新的比特序列,增加了密码的复杂性和不可预测性。
3. **非线性函数(F)**:F是ZUC算法的核心非线性组件,它包含两个32比特的记忆单元变量R1和R2,以及一个32比特的输出W。F函数的计算涉及模232加法和按比特位异或运算,增强了算法的安全性。
4. **算法运行**:ZUC算法按照预定的步骤持续运行,不断生成新的密钥字,用于加密或解密数据。在这个过程中,LFSR的状态会随着算法的执行不断更新,确保每次生成的密钥字都是唯一的。
在算法执行过程中,还涉及到模231-1乘法和模231-1加法的实现,这些基本运算在LFSR的反馈函数和非线性函数中扮演着关键角色。此外,算法还包括S盒(S-box),这是一个非线性转换表,用于进一步增强算法的非线性和混淆特性。
ZUC算法的详细描述还包括术语和定义、符号和缩略语,以及附录中的具体计算实例和参考文献,旨在为理解和实现该算法提供全面的指导。这种高度工程化的密码系统设计确保了在满足效率需求的同时,也提供了高标准的安全保障。
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