湖北大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院宋銳團(tuán)隊(duì)在《中國科學(xué): 信息科學(xué)》發(fā)表論文《面向窄帶物聯(lián)網(wǎng)的ZUC算法緊湊硬件實(shí)現(xiàn)》，針對物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)安全威脅與設(shè)備資源受限的雙重挑戰(zhàn)，提出一種基于ASIC平臺(tái)的低面積ZUC算法硬件實(shí)現(xiàn)方案，通過時(shí)序復(fù)用、門控時(shí)鐘等核心技術(shù)，在保持高吞吐率的同時(shí)將電路面積開銷降低44%，為窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供了高效安全的密碼解決方案。

　　窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)作為支持海量設(shè)備接入的低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)，在5G海量機(jī)器類通信場景中應(yīng)用廣泛，但設(shè)備資源有限的特性對密碼算法的硬件實(shí)現(xiàn)提出了嚴(yán)苛的面積與功耗要求。ZUC算法作為3GPP標(biāo)準(zhǔn)中的核心加密算法，其傳統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)多側(cè)重吞吐率優(yōu)化，存在面積開銷過大、難以適配資源受限設(shè)備的問題。

　　為解決這一痛點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)從四大核心環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在電路架構(gòu)上，采用時(shí)序復(fù)用策略，確保每個(gè)功能模塊僅實(shí)例化一次，最大化降低硬件資源占用;創(chuàng)新提出同構(gòu)映射矩陣搜索算法，結(jié)合塔域分解思想設(shè)計(jì)S盒，其中S1-box面積與先進(jìn)AES算法S盒相當(dāng)，S0-box較傳統(tǒng)查找表實(shí)現(xiàn)面積縮減86%。在線性變換部分，通過MDS矩陣拆解技術(shù)，僅用164個(gè)異或門即可完成線性層實(shí)現(xiàn)，較現(xiàn)有方案減少6%的邏輯門消耗。在加法鏈設(shè)計(jì)上，采用進(jìn)位存儲(chǔ)加法器與中間寄存器組合架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)線性反饋移位寄存器層與有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)層的加法鏈共享，進(jìn)一步優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)。

　　同時(shí)，團(tuán)隊(duì)引入門控時(shí)鐘技術(shù)，通過精細(xì)化時(shí)鐘管理減少寄存器與時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的冗余功耗，同時(shí)替代傳統(tǒng)電路中的選擇器，實(shí)現(xiàn)面積與功耗的雙重優(yōu)化。在TSMC 90nm工藝下的驗(yàn)證結(jié)果顯示，該方案在250MHz時(shí)鐘頻率下吞吐率可達(dá)2Gbps，面積開銷僅6.67kGE;在Fast工藝條件下，工作頻率可提升至1GHz，吞吐率達(dá)8Gbps，面積僅增至7.0kGE。

　　該研究突破了傳統(tǒng)ZUC算法硬件實(shí)現(xiàn)的面積瓶頸，其緊湊化設(shè)計(jì)完美適配窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的資源約束特性，可廣泛應(yīng)用于智能家居、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等海量低功耗設(shè)備場景。該方案的落地將有效提升窄帶物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全防護(hù)能力，為大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備部署提供可靠的加密技術(shù)支撐，對推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)安全產(chǎn)業(yè)的輕量化發(fā)展具有重要意義。