Hummingbird加密算法的硬件架構設計

摘要 Hummingbird加密算法是針對RFID標簽等硬件受限系統的輕型加密算法。其已在不同平臺上得到了驗證。文中提出了一種針對Humming bird算法的硬件架構，與目前其他方法相比，在響應時間基本相同的情況下，該硬件架構所需的硬件資源更少。其采用Xilinx的低端Spart an-3系列FPGA芯片作為驗證平臺。實驗結果表明，該硬件架構可較好地嵌入到硬件受限系統中，尤其是嵌入式系統。
關鍵詞 Hummingbird加密算法；FPGA；硬件實現

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。若這些信息被非授權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，同時響應時間較長，并不適合資源受限的系統。
在眾多加密算法中，Hummingbird加密算法是Revere Security開發的一種輕型算法。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和簡易嵌入式系統等。Hummingbird加密算法易于軟件實現，在不同的嵌入式平臺中均有相應的實現和優化方案。
目前有多種不同的硬件架構被提出，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。在響應時間基本相同的情況下，該硬件架構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的內部狀態寄存器。
1．1 初始化過程
Hummingbird算法的初始化過程包括，初始化4個內部狀態寄存器，同時計算LFSR的初始值。4個狀態寄存器RS1～RS4首先由16 bit的隨機數產生器產生。初始化過程中，4個狀態寄存器經過4次的更新過程，而同時更新的結果則作為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個狀態寄存器也要經過相應的更新，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。