商用密码应用与安全性评估要点笔记（密码算法ZUC）

1、ZUC算法简介

ZUC算法属于对称密码算法，具体来说是一种序列密码算法或流密码算法。ZUC算法以中国古代数学家祖冲之首字母命令。

ZUC算法标准包括三个部分：

GMT 0001.1-2012 祖冲之序列密码算法：第1部分：算法描述

GMT 0001.2-2012 祖冲之序列密码算法：第2部分：基于祖冲之算法的机密性算法

GMT 0001.3-2012 祖冲之序列密码算法：第3部分：基于祖冲之算法的完整性算法

可以看出ZUC可以提供机密性和完整性保护功能，其中机密算法称为128-EEA3，完整性保密算法称为128-EIA3。2011年9月，这两个算法与AES、Snow 3G共同成为4G移动通信密码算法国际标准。

ZUC包括两个版本，具体比较如下。ZUC 256bit版本面向5G通信安全标准，保障在后量子时代具备较长时间内移动通信的机密性和完整性。

版本	密钥长度	IV	密钥流位宽	认证标签长度MAC
128比特版本	128b	128b	32b	32b
256比特版本	256b	184b	32b	32/64/128b

2、ZUC算法结构

ZUC算法逻辑有3个部分构成，从上到下依次是LFSR（线性反馈移位寄存器）、BR（比特重组）和F（非线性函数）。

LFSR包括16个31bit寄存器单元变量，运行模式有2种：初始化模式LFSRWithInitialisationMode(u)和工作模式LFSRWithWorkMode。

BR从LFSR的寄存器单元中抽取128b组成4个32比特字，计算过程为BitReconstruction。

F包含2个32bit记忆单元变量R1和R2，输入为3个32比特字，输出为1个32比特字。其中包含S为32比特的S盒交换。

3、ZUC算法运算过程（128版本为例）

3.1 密钥装入

将128bit的密钥k和128bit的初始向量iv扩展为16个31比特字作为LFSR寄存器变量的初始状态。具体过程如下：

3.2 初始化阶段

在3.1中已经完成LFSR的初态填入，这里再将F中32比特记忆单元变量R1和R2置为全0，然后重复执行32次（BitReconstruction—W-F(X0,X1,X2)—LFSRWithInitialisationMode(W>>1)）操作。

3.3工作阶段（32bit密钥字输出）

首先执行一次BR、F和LFSRwithWorkMode，得到的输出W不用丢弃。

然后再来一次BR、F和L异或X3、FSRWithWorkMode，从而输出一个32比特的密钥字Z。

4、ZUC优点

引入素数域运算LFSR、比特重组BR、最优扩散的线性变换（非线性函数F采用 S 盒和高扩散特性的线性变换 L）。通过对LFSR、BR和F三层结构的综合运用，ZUC算法具有很高的理论安全性，能够有效抵抗目前已知的攻击方法，具备较高的安全冗余、并且算法速度快、软/硬件实现性能都较好。

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