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Hummingbird加密算法的硬件架构设计

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摘要 Hummingbird加密算法是针对RFID标签等硬件受限系统的轻型加密算法。其已在不同平台上得到了验证。文中提出了一种针对Humming bird算法的硬件架构,与目前其他方法相比,在响应时间基本相同的情况下,该硬件架构所需的硬件资源更少。其采用Xilinx的低端Spart an-3系列FPGA芯片作为验证平台。实验结果表明,该硬件架构可较好地嵌入到硬件受限系统中,尤其是嵌入式系统。
关键词 Hummingbird加密算法;FPGA;硬件实现

目前大多低配置的设备中均涉及到信息的传递,例如:智能卡、RFID标签等。若这些信息被非授权用户获取将带来安全威胁。因此研究可嵌入此设备中的加密算法是必要的。当前有多种加密标准算法,例如DES、AES等,但这些算法通常需要大量的硬件资源来实现,同时响应时间较长,并不适合资源受限的系统。
在众多加密算法中,Hummingbird加密算法是Revere Security开发的一种轻型算法。由于其所需的硬件资源少、功耗低,被广泛应用于一些硬件资源受限的应用场合,例如:RFID和简易嵌入式系统等。Hummingbird加密算法易于软件实现,在不同的嵌入式平台中均有相应的实现和优化方案。
目前有多种不同的硬件架构被提出,以便使Hummingbird加密算法能适用于多种硬件资源受限的平台。但这些方法所使用的硬件资源同样较多,且加密速度较慢。针对这些问题,文中在基于FPGA硬件平台下,提出了一种Hummingbird加密算法的硬件架构。在响应时间基本相同的情况下,该硬件架构所占用的硬件资源相比其他的解决方案较少。

1 Hummingbird加密算法简介
Hummingbird加密算法结合了基于块和流的加密。整个加密过程包含两部分:初始化过程和加密/解密过程。在Hummingbird算法中,使用16 bit的块长度、256 bit的密钥长度和80 bit的内部状态寄存器。
1.1 初始化过程
Hummingbird算法的初始化过程包括,初始化4个内部状态寄存器,同时计算LFSR的初始值。4个状态寄存器RS1~RS4首先由16 bit的随机数产生器产生。初始化过程中,4个状态寄存器经过4次的更新过程,而同时更新的结果则作为LFSR的初始值。初始化过程的流程如图1(a)所示。
1.2 加密解密过程
在初始化过程后,明文首先与状态寄存器RS1进行模216的加运算,然后再进行块加密。在加密过程中,这些操作重复进行4轮,并得到最终的密文。其中,对应的4个状态寄存器也要经过相应的更新,同样LFSR也进行更新。整个加密过程如图1(b)所示。解密过程可参照加密过程的逆运算。

a.JPG

[p]
1.3 块加密过程
Hummingbird加密算法采用4个相同的块加密模块,每个块加密过程均是16 bit,密钥为64 bit。其过程如图2所示。块加密过程中的S—Box如下表所示。当中的线性变换过程定义如下
L(m)=m⊕(m×6)⊕(m×10) (1)

c.JPG



2 算法的FPGA硬件架构实现
由于Hummingbird加密算法是一种轻型加密算法,主要针对硬件资源受限的平台和应用场合,因此,提出了一种硬件资源使用较少的FPGA架构。

b.JPG


首先,对于块加密过程,用4个时钟周期来完成4轮的块加密,由于每轮加密过程的密钥均不同,因此需要一个选择器来选择正确的密钥,块加密过程的FPGA架构如图3所示。

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[p]
在这一架构中,需要5个异或器、8个S—Box、一个线性变换过程及两个多路选择器。Hummingbird加密算法FPGA架构的顶层设计如图4所示。

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在顶层架构中,块加密的输出首先被锁存器锁存,在初始化和每轮的加密过程反馈,以便更新状态寄存器。由于初始状态和每轮加密的状态寄存器更新机制不同,因此需要数据选择器来实现正确的更新,更新后的状态寄存器在每轮加密过程中,分别输入至块加密过程。同时,由于初始化过程需要随机数产生,因此,使用LFSR来实现,以便节省硬件资源。

3 结果分析
文中使用Xilinx FPGA Spartan-3平台,利用VetilogHDL来实现所提出的硬件架构。将所提出的架构和其他设计进行比较。文献第一次提出了Hummingbird加密算法的FPGA实现架构,但其所需的硬件资源较多。文献提出的方法虽然花费得硬件资源少,但速度较慢,同时需要更多的存储器,实际所需的硬件资源并未减少。同时,文献使用的是协处理器方法,并不能算作是硬件架构。
在表2中,给出了本次的方法和文献的性能比较。

f1.jpg


表2所示,提出方法所需的硬件资源比文献少25%,同时速度也提升了6%。而在表3中,给出了文中的方法和文献的性能比较。

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相比于文献,提出方法虽然所需的Slices数量较多,却无需存储器,同时速度可提升约30%。

4 结束语
文中提出了一种有效针对Hummingbird加密算法的FPGA硬件实现。该硬件架构相比其他方法可使用更少的硬件资源,同时速度上也优于其他方法。因此该架构可广泛用于RFID等硬件资源受限的加密平台中。

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