SM4 算法在无线通信中的硬件实现与应用

SM4 算法在无线通信中的硬件实现与应用

2016-05-05 09:25:10 作者:7天论文网【大中小】浏览:22次评论:0条

摘要：随着无线通信的快速发展与普及，通信的安全问题成为研究的重点。针对数据吞吐量不高，但实时性要求严格的无线通信问题，设计了一个SM4 的硬件电路模块。在Altera 的Cyclone 系列FPGA 上占用1875 个逻辑单元，时钟频率100MHz，吞吐率为266.5Mb/s。将该模块应用于此通信链路中,并搭建了一个无线通信加密平台，实验结果表明SM4 加密算法在物理层上的应用对于信息传输的安全具有重要意义。

关键词: SM4；FPGA；无线通信；物理层加密

引言最近十年信息技术的高速发展，信息数字化给经济社会带来了巨大收益。但随着无线通信的逐步开放，信息的安全问题不断显现，信息传输的安全隐患问题也日益严峻[1-4]。由于现有的无线通信安全性能不强，无论是个人隐私、商业秘密还是军事情报都受到不法分子窃取的威胁。RSASecurity 在英国伦敦的一项调查也表明：67%的WLAN 毫无安全可言。在严峻安全形势下，加强无线通信的安全性是一个紧迫的研究课题。

数据加密技术是一种有效保护用户信息在无线传输过程中不被窃取、盗用和篡改的新方式。数据加密方法有很多，有应用层数据加密、物理层数据加密和通信体制的数据加密。在应用层上要保证信息的安全传输，需要通过密钥对信源进行“一次一密”的加密，这对无线通信系统的密钥管理与分发提出了较高要求。在通信体制上对数据进行加密的方法有扩频、跳频和超宽带等技术，这些特殊体制设计的信号，具有低截获概率特性，能够提供一定的加密效果。然而信号体制中特定的扩频序列和跳频图案一旦泄露，信息传输的安全性将受到巨大的安全威胁，信息极有可能被窃听者解调窃取。而物理层的数据加密技术则不会存在这些问题。依托现有成熟的集成电路技术，在通信链路的物理层采用硬件电路实现数据加密已经受到广泛的关注。相比于上述两种加密方法，硬件加密有以下优点：（1）安全性能高，不易被攻击。现有成熟的商业加密算法复杂度都相当高，有的甚至在数学逻辑上不可破解，而且通信的时效性特别强；（2）计算速度快，效率高。软件加解密的速度取决于控制器的性能，而硬件电路加密可以实现轻量级加解密技术，可以保证电路在设计时速度优先，保证无线通信的时效性，解决传统加解密延时过长的问题。（3）成本低，性能可靠。现有的微电子技术和集成电路技术推陈出新，硬件成本越来越低，可靠性越来越高。

SM4 算法是由国家密码管理局于2006年1 月公布的用于无线局域网产品的分组对称密码算法，是我国官方公布的第一个商用密码算法，SM4 密码算法于2012 年3月21 日成为被批准的六项密码行业标准之一[5-7]。与公钥密码算法相比，它具有数据吞吐率高、硬件资源消耗少等优点。SM4 算法非常适合在实时性要求较高的场合使用，如无线通信、物联网传感节点和智能数据卡方面[8-10]。

本文基于无线通信的安全性问题，在分析SM4 算法的基础上，采用加解密模块与密钥拓展

模块进行硬件复用。在此基础上设计了SM4 算法加解密模块，并以将该模块配置于无线通信链路中，搭建了具有硬件加解密功能的无线通信平台。

1 SM4 算法原理SM4 算法是一种分组密码算法，其分组长度和密钥长度均为128bit。加解密算法和密钥拓展算法都采用3

2 轮非线性迭代结构。加密算法和解密算法的结构相同，只有轮密钥使用的次序相反，解密算法使用的轮密钥是加密算法中使用轮密钥的逆序，若加密时使用的轮密钥为r:0 r31，则解密过程时使用的轮密钥为31 0 r :r 。

其中以32 比特为单位的逆序输出是为了使加解密一致。在（1）式中，T)为32 322

2?( Z →Z 和线性变换L 复合而成，τ的可逆变换，由非线性T=) ?( L))。非线性变换由4 个并行的S 盒构成。在SM4 算法中S 盒是一个固定为8 比特输入8 比特输出的置换。设输入8 40 1 2 3 2? (τ( A (=a ,a ,a ,a (∈)Z ) ,输出为8 40 1 2 3 2 B (=b ,b ,b ,b (∈)Z ) ,则：

对于分组密码算法来说，其安全性主要由非线性部分S 盒决定，因此（3）式中Sbox 为固定映射表，由官方给出。

线性变换的输入L 是非线性变换τ。

设输入322 B∈Z ，输出322 C∈Z ，则：

( ) ( 2) ( 10)( 18) ( 24)C L B B B BB B（4）<<<⊕<<<⊕<<<⊕<<<⊕==

解密算法与加密算法的结构相同，只是轮密钥的使用顺序相反。

加密时轮密钥的使用顺序为：

0 1 2 31 (rk , rk , rk ,?, rk ) （5）

加密时轮密钥的使用顺序为：

31 30 29 0 (rk , rk , rk ,?, rk ) （6）

加密流程图如图1 所示。

S盒S盒S盒S盒左移8位左移2位左移18位左移6位反序变换R输出密文128bit第i 轮迭代（i=0,1,...31）

Xi Xi+1 Xi+2Xi+3输入明文128bit轮密钥rki32bit32bit8bit 8bit 8bit 8bit32bitXi+4图1 SM4 算法加解密流程1.2 密钥拓展算法SM4 算法中加密算法的轮密钥由加密密钥通过密钥拓展算法生成。设加密密

系统参数0 1 2 3 FK (=FK ,FK ,FK ,FK )，其取值采用16 进制表示为：

密钥拓展流程图如图2 所示。

S盒S盒S盒S盒左移13位左移23位第i轮迭代输出Rki=Ki+4（i=0,1,...31）

Ki Ki+1 Ki+2 Ki+3初始秘钥128bit固定参数CKi32bit32bit32bit8bit 8bit 8bit 8bit32bitKi+4系统参数CKi128bit图2 SM4 算法的密钥拓展流程2 SM4 加密算法的FPGA 实现2.1 SM4 加密算法的硬件设计在前文的算法描述中提到在线性加密和密钥拓展时需要进行32 轮的循

环迭代，在SM4 算法的硬件实现中主要采用循环迭代结构。该设计主要由6 个模块构成：

控制模块、密钥拓展电路、密钥寄存电路、多路选择电路、加解密电路和输出寄存电路。其整体电路设计框图如图3 所示。

2.1.1 控制模块的设计控制模块根据输入的控制信号选择工作模式，并产生相应的控制信号控制电路。

加密运算过程中轮密钥的生成与数据加密交替进行，控制电路因此要产生控制信号在这两种状态下进行切换，并且在轮密钥生成的状态下将输入的密钥传送给密钥拓展电路。

控制模块密钥拓展电路密钥寄存电路多路选择电路加解密电路输出寄存电路控制信号密钥输入明（密）文输出明（密）文输出图3 SM4 整体电路框图2.1.2 加解密电路的设计输入128 比特明文（密文）首先在多路选择电路控制下，预存在寄存器中，在加密状态下，与密钥寄存电路中传送来的轮密钥一起按照图1 所述的流程进行一轮运算，并且将结果缓存在数据寄存器中，以此完成32 轮循环迭代。

在加密流程中主要运算有S 盒置换和线性操作。考虑到该算法应用无线通信中，实时性要求较高，本设计中S 盒采用LUT，保证在并行的4 个S 盒复用一个，并且在1个“clk”的时间内完成数据的置换。线性操作主要是移位和异或，由于32 轮的迭代循环中移位都是固定的，因此可以采用专门的移位寄存器。

2.1.3 密钥拓展电路的设计从图1、图2 中就可发现密钥拓展的结构与加解密类似，缓存于数据寄存器中的初始密钥在密钥拓展状态下与系统参数进行一次异或，并存于密钥寄存器，每次循环迭代过程中，电路从密钥寄存器中读入数据，按照图2 的运算流程进行运算，生成128 比特密钥，又存于密钥缓存器中，直到循环迭代结束后，将最终的密钥传送到密钥寄存电路中。密钥拓展运算和加解密电路相同，主要是S 盒置换和线性操作，具体设计和加解密电路的设计类似。

2.2 实验结果前文所述各个模块的电路设计，都是采用硬件描述语言Verilog 实现，以Altera 公司的Cyclone EP3C120F780I7 为目标芯片，采用QuartusII 11.0 进行综合。综合后生成的原理图如图4，其外部接口说明如表1。

图4 “SM4”算法综合原理图表1 SM4 外部接口信号名信号名I/O 方向信号说明clk 输入系统时钟zen 输入使能信号zset 输入模式选择信号kint 输入密钥复位zmw 输入明文kin 输入初始密钥输入128 位zrdy 输出密钥拓展指示信号kint_done 输出加解密完成后，变为高电平miwenout 输出密文输出128 位将SM4 算法进行FPGA 综合后，共需要逻辑单元数位1875 个，时钟频率100MHz，吞吐率为266.5Mb/s。同时对生成的FPGA电路进行加解密操作，用Modelsim 软件进行时序仿真，结果见图5、6。

从图5 中知在加密模式下，“zset”置“1”时，是进行加密操作，当输入明文为：0123456789ABCDEFFEDCBA9876543210,加密的密钥为

0123456789ABCDEFFEDCBA9876543210时，在密钥拓展指示信号“zrdy”处于上升沿时，加

密电路完成了数据的加密，密文输出“miwenout”为：

681EDF34206965E86B3E94F536F4246, 仿真结果与官方公布的结果一致。“zset”置“0”时，是进行解密操作，图6 为SM4算法的解密过程，它是加密过程的逆向操作，在输入明文为：681EDF34206965E86-B3E94F536F4246,加密的密钥为：

012345-6789ABCDEFFEDCBA9876543210 时，在密钥拓展指示信号“zrdy”处于上升沿时，加密电路完成了数据的加密，密文输出“miwenout”为：

0123456789ABCDEFFEDCBA9876543210。

3 无线通信加密平台设计数字通信作为目前通信领域的主流，相比于传统的模拟通信，它有着抗干扰能力强，通信质量不受距离的影响，信号易于调制解调等多种优势，应用范围越来越广。但是因其天然的开放性和广播特性，其存在的安全问题越来越严重。

3.1 无线通信加密平台硬件设计在前文中论述过无线通信物理层加密的优势，将SM4 的硬件电路封装成加密模块，应用于现有的通信链路中，搭建一款具有硬件加解密功能的无线通信平台[11-15]。

现有数字通信中调制解调有ASK、FSK、PSK、MSK、QAM 等。为更直观的分析SM4 加密算法在无线通信中的加密过程，通信机制采用2FSK，加密后的通信模型原理框图如图7 所示。基带信号在经过串并转换后进入SM4 加密模块进行加密，经过加密后的信号才进入原有的通信链路，其过程与常见的通信模型相同。

基带信号SM4加密带通调制发送端信息SM4解密数字解调接收端信道图7 加密后的典型无线通信模型3.2 实验结果按照图7 原理框图进行模块封装，采用硬件描述语言Verilog 实现，以Altera公司的Cyclone EP3C120F780I7 为目标芯片，采用QuartusII 11.0 进行综合。在这个无线通信加密平台搭建成功后，进行Modelsim 的功能仿真，对基带信号进行随机输入：010011011010011，现有的通信机制都易于识别，图8 是模拟传输信号被非法接收后无法获取密钥时解析出的错误信息：0000110110010011。与原始基带信号不符。图9 是模拟的合法用户在接收端将调制信号解调后解密的仿真波形，其输出信息为：010011011010011。与基带信号比对，是正确的，用户可以解析出正确的信息。

4 结束语

本文针对数据吞吐量不高，但实时性要求严格的场合，设计了一款占用资源少，吞吐量适中的SM4 加密算法的模块，该模块在Altera 的Cyclone FPGA 上占用1875个逻辑单元，时钟频率100MHz，吞吐率为266.5Mb/s。将该模块应用于无线通信中，搭建了一个在物理层实现数据加密的无线通信模型，实验验证表明SM4 加密算法在无线通信链路物理层的实现在一定程度上确保了数据传输的安全。为了保证无线通信的信息安全，物理层加密算法可以与传统应用层密钥加密方法相互结合，能够更加有效解决无线通信中的安全问题。

参考文献（References）:

[1]白云，张凤鸣，黄浩，孙璐. 信息系统安全体系结构发展研究[J] 空军工程大学学报（自然科学版）2010，1（5）75~80.

[2]孙树峰，石兴芳，顾君忠，无线局域网中的安全保护与漫游管理[J] 空军工程大学学报（自然科学版）2003,4（1）50~53.

[3]He X, Yener A. Cooperation with an UntrustedRelay: A Secrecy Perspective[J]. IEEE Transactionson Information Theory,2010,56(8):3807~3827

[4]Chen C, Jensen M A, Secret Key EstablishmentUsing Temporally and Spatially Correlated WirelessChannel Coefficients[J]. IEEE Trans Mobile Computing,2011,10(2);205~215.

[5]国家密码管理局，国家密码管理局公告第23 号[EB/OL].(2012-03-21). http://www. https://www.360docs.net/doc/c84654140.html,/News/201204/News.1227.htm.

[6]Zhang Xingmiao ,Parhi K. High Speed VLSI Architecturefor the AES Algorithm[J]. IEEE Trans. onVery Large Scale Integration System,2004,12(9):957~967

[7]王潮，刘礼黎，牛志华，时向勇，张焕国，适合CBTC 无线信道加密算法，[J] 通信学报，2011,32（2）48~52.

[8]吴悠，郭培源，何多多. DES 和SM4 算法的可重构研究与实现[J] 计算机应用研究，2014,31（3）

854~856.

[9]Gao Xianwei，Lu Erhong，Xian Liqin，et al.FPGA Implemention of the SMS4 Block Cipher inthe Chinese WAPI Standard[C] //Proc.of InternationalConference onEmbedded Software and SystemSymposia[S.I]:IEEE.Press,2008

[10]钟州，金梁，黄开枝. 多载波系统随机子载波加权的物理层加密算法[J] 通信学报，2012 33（10）86~90.

[11]高娜娜，宋丽华. AES 算法中秘钥拓展和列混合单元的可重构设计[J] 北京信息科技大学学报2012，27:451~55.

[12]Shuang Qiu，,Guoqiang Bai, Power Analysis of aFPGA Implementation of SM4 IEEE-33044.

[13]钟名富，胡予濮，陈杰. 分组加密算法SM4的14 轮Square 攻击[J]. 西安电子科技大学学报（自然科学版）. 200835(1):105~109.

[14]王悦，李树国. 超立体法在SM4 算法S 盒中的应用[J]. 微电子学与计算机.

2014.31(7)11~13

[15]CHENG Shan;FAN Ying-Ying; XIAO Zhen.B→Kη, decays in the SM with fourth generationfermions[J]. Chinese Physics C.2014.38(7)073102-1~073102-5