趙 維，黃開臣，羅永紅

(中國航空工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所第5研究室，陜西西安 710068)

目前大多低配置的設備中均涉及到信息的傳遞，例如:智能卡、RFID標簽等［1-2］。若這些信息被非授權(quán)用戶獲取將帶來安全威脅。因此研究可嵌入此設備中的加密算法是必要的。當前有多種加密標準算法，例如DES、AES等，但這些算法通常需要大量的硬件資源來實現(xiàn)，同時響應時間較長，并不適合資源受限的系統(tǒng)［3］。

在眾多加密算法中，Hummingbird加密算法是Revere Security開發(fā)的一種輕型算法。由于其所需的硬件資源少、功耗低，被廣泛應用于一些硬件資源受限的應用場合，例如:RFID和簡易嵌入式系統(tǒng)等。Hummingbird加密算法易于軟件實現(xiàn)，在不同的嵌入式平臺中均有相應的實現(xiàn)和優(yōu)化方案。

目前有多種不同的硬件架構(gòu)被提出［4-7］，以便使Hummingbird加密算法能適用于多種硬件資源受限的平臺。但這些方法所使用的硬件資源同樣較多，且加密速度較慢。針對這些問題，文中在基于FPGA硬件平臺下，提出了一種Hummingbird加密算法的硬件架構(gòu)。在響應時間基本相同的情況下，該硬件架構(gòu)所占用的硬件資源相比其他的解決方案較少。

1 Hummingbird加密算法簡介

Hummingbird加密算法結(jié)合了基于塊和流的加密。整個加密過程包含兩部分:初始化過程和加密/解密過程。在Hummingbird算法中，使用16 bit的塊長度、256 bit的密鑰長度和80 bit的內(nèi)部狀態(tài)寄存器。

1.1 初始化過程

Hummingbird算法的初始化過程包括，初始化4個內(nèi)部狀態(tài)寄存器，同時計算LFSR的初始值。4個狀態(tài)寄存器RS1～RS4首先由16 bit的隨機數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生。初始化過程中，4個狀態(tài)寄存器經(jīng)過4次的更新過程，而同時更新的結(jié)果則作為LFSR的初始值。初始化過程的流程如圖1(a)所示。

1.2 加密解密過程

在初始化過程后，明文首先與狀態(tài)寄存器RS1進行模216的加運算，然后再進行塊加密。在加密過程中，這些操作重復進行4輪，并得到最終的密文。其中，對應的4個狀態(tài)寄存器也要經(jīng)過相應的更新，同樣LFSR也進行更新。整個加密過程如圖1(b)所示。解密過程可參照加密過程的逆運算。

圖1 Hummingbird加密算法流程

1.3 塊加密過程

Hummingbird加密算法采用4個相同的塊加密模塊，每個塊加密過程均是16 bit，密鑰為64 bit。其過程如圖2所示。塊加密過程中的S-Box如下表所示。當中的線性變換過程定義如下

2 算法的FPGA硬件架構(gòu)實現(xiàn)

由于Hummingbird加密算法是一種輕型加密算法，主要針對硬件資源受限的平臺和應用場合，因此，提出了一種硬件資源使用較少的FPGA架構(gòu)。

圖2 塊加密過程

表1 塊加密中的S-Box

首先，對于塊加密過程，用4個時鐘周期來完成4輪的塊加密，由于每輪加密過程的密鑰均不同，因此需要一個選擇器來選擇正確的密鑰，塊加密過程的FPGA架構(gòu)如圖3所示。

圖3 塊加密過程的FPGA實現(xiàn)

在這一架構(gòu)中，需要5個異或器、8個S-Box、一個線性變換過程及兩個多路選擇器。Hummingbird加密算法FPGA架構(gòu)的頂層設計如圖4所示。

圖4 Hummingbird加密算法FPGA實現(xiàn)的頂層架構(gòu)

在頂層架構(gòu)中，塊加密的輸出首先被鎖存器鎖存，在初始化和每輪的加密過程反饋，以便更新狀態(tài)寄存器。由于初始狀態(tài)和每輪加密的狀態(tài)寄存器更新機制不同，因此需要數(shù)據(jù)選擇器來實現(xiàn)正確的更新，更新后的狀態(tài)寄存器在每輪加密過程中，分別輸入至塊加密過程。同時，由于初始化過程需要隨機數(shù)產(chǎn)生，因此，使用LFSR來實現(xiàn)，以便節(jié)省硬件資源。

3 結(jié)果分析

文中使用Xilinx FPGA Spartan-3平臺，利用Verilog HDL來實現(xiàn)所提出的硬件架構(gòu)。將所提出的架構(gòu)和其他設計進行比較［4-5］。文獻［4］第一次提出了Hummingbird加密算法的FPGA實現(xiàn)架構(gòu)，但其所需的硬件資源較多。文獻［5］提出的方法雖然花費得硬件資源少，但速度較慢，同時需要更多的存儲器，實際所需的硬件資源并未減少。同時，文獻［5］使用的是協(xié)處理器方法，并不能算作是硬件架構(gòu)。

在表2中，給出了本次的方法和文獻［4］的性能比較。

表2 與文獻［4］的性能比較

表2所示，提出方法所需的硬件資源比文獻［4］少25%，同時速度也提升了6%。而在表3中，給出了文中的方法和文獻［5］的性能比較。

表3 與文獻［5］的性能比較

相比于文獻［5］，提出方法雖然所需的Slices數(shù)量較多，卻無需存儲器，同時速度可提升約30%。

4 結(jié)束語

文中提出了一種有效針對Hummingbird加密算法的FPGA硬件實現(xiàn)。該硬件架構(gòu)相比其他方法可使用更少的硬件資源，同時速度上也優(yōu)于其他方法。因此該架構(gòu)可廣泛用于RFID等硬件資源受限的加密平臺中。

［1］范文兵，葛崢，王耀.超高頻RFID系統(tǒng)設計與仿真［J］.計算機工程，2010，36(17):90-92.

［2］肖夢琴，沈翔，楊玉慶，等.Hummingbird算法在射頻識別標簽中的應用［J］.計算機工程，2011，37(17):78-80.

［3］DZUNG D，NAEDELE M，VON T P，et al.Security for industrial communication system ［J］.Proceedings of the IEEE，2005(6):571-580.

［4］FAN X，GONG G，LAUFFENBURGER K，et al.FPGA implementations oftheHummingbird cryptographic algorithm［C］.Italy:IEEE International Symposium on Hardware-O-riented Security and Trust(HOST)，2010.

［5］SMAIL S.Enhanced FPGA implementation of the Hummingbird cryptographic algorithm［M］.UK:Sonylike Press，2005.

［6］THOMAS E，SANDEEP K，CHRISTOF P，et al.A survey of lightweight-cryptography implementations ［J］.IEEE Design ＆ Test of Computers，2007，24(6):522-533.

［7］FAN X，HU H，GONG G，et al.Lightweight implementation of Hummingbird cryptographic algorithm on 4-bit microcontrollers［C］.Torento:The 1st International Workshop on RFID Security and Cryptography 2009(RISC'09)，2009:838-844.