[发明专利]一种Fountain轻量级加密算法的实现装置、方法及应用

说明书

本发明公开了一种Fountain轻量级加密算法的实现装置、方法及应用，该装置包括状态控制单元、线性反馈移位寄存器、非线性变换盒、密钥流提取单元和反馈值生成单元；实现方法包括面积优化方案和并行方案，应用包括Fountain流密码的生成，Fountain型密钥流生成器的生成、Fountain型MAC函数的生成。本发明所公开的Fountain轻量级加密算法设计紧凑、节约资源、提升数据吞吐率，延时低，安全性高，能满足资源紧张的物联网终端设备数据加密需求。

技术领域

本发明涉及数据加密技术领域，特别涉及一种Fountain轻量级加密算法的实现装置、方法及应用。

背景技术

物联网技术作为信息科技产业的第三次革命的核心，近年来在工业、教育、医疗等领域不断发展，人们随处可见周围的物联网设备。依靠RFID、Zigbee和蓝牙等通信技术和无处不在的终端传感器，物联网可以实现任何物体与网络的连接，使万物互联不再是天方夜谭。

然而，在信息技术高速发展的时代，物联网已深入工业互联网、智能电网、智慧交通等关乎民生与国家安全的重点领域，物联网安全这一关键问题也不容小觑。传统密码大多通过软件实现，即高级语言编写密码实现代码，经过编译在通用处理器上运行，然而这种软件实现的加密算法受限于处理器的运行频率，很难做到高速加密。此外，由于轻量级密码尚未形成标准算法，算法需要不断迭代，设计专用芯片需要重新投入研发成本。

目前标准密码(如AES，SM系列)已广泛应用，但由于这些密码密钥长度较大、运算复杂，在微型化终端(如RFID标签)很难部署标准加密算法。因此，设计紧凑的轻量级密码成为近年来密码学研究热点之一。

将轻量级密码部署于资源紧张的计算平台，因此更需要高效、紧凑、吞吐率高的实现装置。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种Fountain轻量级加密算法的实现装置、方法及应用，以达到设计紧凑、节约资源、提升数据吞吐率，安全性高的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种Fountain轻量级加密算法的实现装置，包括状态控制单元、线性反馈移位寄存器、非线性变换盒、密钥流提取单元和反馈值生成单元；

所述状态控制单元用于调整和控制装置状态，根据装置当前所处阶段，控制输入和输出使能，控制密钥流产生；

所述线性反馈移位寄存器包括四个独立的64位移位寄存器，每位的状态为0或1，每个独立的64位移位寄存器同时包括一个或多个线性反馈函数，用于对当前线性反馈移位寄存器内64位内部状态产生线性变换；

所述非线性变换盒为4比特输入和4比特输出，共包含三种模式，在状态控制单元状态不同的情况下对4比特输入执行不同的非线性变换，对线性反馈移位寄存器的内部状态实现非线性变换；

所述密钥流提取单元包含密钥流提取函数，用于提取线性反馈移位寄存器的内部状态，在时钟信号的控制下，选取部分特殊位执行异或和与运算；

所述反馈值生成单元包括四个反馈值生成函数，在状态控制单元的控制下，根据线性反馈函数、非线性变换盒、密钥流提取单元和输入端口传入的数据产生反馈值，分别用于四个64位移位寄存器状态更新。

上述方案中，所述状态控制单元将Fountain整个加密流程分为：载入阶段、初始化阶段、处理关联数据阶段、处理明文阶段、结束阶段和验证标签输出阶段。

进一步的技术方案中，所述线性反馈移位寄存器分为两种状态，即载入状态和工作状态；