摘要：本文件對序列密碼演算法ZUC128和ZUC256在32位平臺下進行軟體實現和評估，包括加密效能和計算MAC的效能，文件最後一章給出ZUC128和ZUC256的效能對比評估結果。

關鍵詞：ZUC128，ZUC256，序列密碼，軟體實現。

目錄

1. 效能測試說明... 1

1.1 對比測試演算法說明... 1

1.2 測試環境... 1

1.3 效能測試項說明... 1

1.4 測試方式... 2

2. 效能測試結果... 3

2.1 資源者佔用... 3

2.2 ZUC的加密效能... 3

2.3 ZUC的加密效能對比結論... 4

2.4 ZUC的MAC效能... 4

2.5 ZUC的MAC效能對比結論... 5

3. 分析結論... 7

1. 效能測試說明

1.1 對比測試演算法說明

本章列舉ZUC128、ZUC256與幾個常見的序列密碼演算法的效能對比情況。

效能對比演算法中的HC-128、Rabbit、Salsa20-12、Sosemanuk為eSTREAM中偏軟體實現的序列密碼演算法；Mickey v2、Trivium、Grain為eSTREAM中偏硬體實現的序列密碼演算法；分組密碼演算法AES僅選用128位元分組和128位元金鑰的情況；SM4是分組密碼演算法，為128位元分組和128位元金鑰，Enocoro-128

1.2 測試環境

測試環境為Intel Core [email protected] MHz的CPU、Microsoft VS 2008編譯器，所有演算法均採用標準C實現。表1列出了測試環境詳情。

表1 測試環境詳情

1.3 效能測試項說明

效能測試項來自於estreambench以及《ZUC256演算法軟硬體效能比較大綱》，各測試項的含義如下：

1. Init：表示演算法初始化所用時間，即金鑰和IV裝載時間。單位是cycles/setup，表示執行一次初始化需要的時鐘週期，簡寫為cps，下同。
2. Stream：表示加密大量資料時的速度，單位為時鐘週期每位元組（cycle/byte），簡寫為cpb，或者兆位元每秒（106bit/second）簡寫為Mbps，下同。此項測試只統計加密資料的時間，不考慮演算法初始化的時間，即速度值為加密資料的時間除以加密的位元組數。
3. xB：表示加密x位元組時的速度，這裡的xB取16B、40B、576B、1500B、1MB等。此項測試統計演算法初始化時間和加密資料的時間，速度值為資料處理時間與演算法初始化時間之和，再除以處理位元組數。

1.4 測試方式

實驗採用歐洲estream演算法競賽的速度測試模型，詳情如下。

第1步，在被測試程式碼段的前後各設定一個時間計數器TS和TF；

第2步，將兩個計時器之差T=TS—TF作為這段程式碼的耗時；

第3步，重複步驟1和步驟2多次，為統計方便設定重複次數為奇數，記重複測試次數為C，得到一系列的耗時值T[i]，i=1,2,...,C；

第4步，將統計得到的耗時值序列按從大到小的順序排列，得到的新序列仍記為T[i]，i=1,2,...,C；當然也可按從小到大的順序排列；

第5步，取新序列的中值T[(C+1)/2]作為本段程式碼的統計耗時值。

為了保證測試結果的準確性，本測試模型中第1步的時間計數器使用CPU頻率計時器，可直接調用匯編指令RDTSC，在Windows環境下可呼叫__rdtsc()函式。該指令或函式返回CPU時鐘週期值，按現代CPU的時鐘頻率計算，此計數器可精確到納秒級。兩次RDTSC指令返回的時鐘週期之差再除以CPU頻率，即可得到以秒為單位的耗時值。

本測試中取重複測試次數C為21。

2. 效能測試結果

2.1 資源者佔用

資源者佔用情況如下表。

2.2 ZUC的加密效能

ZUC演算法以及其它對比演算法在32位平臺下的軟體實現效能指標見表3和表4，其中表3列出Init和Stream的效能指標；表4列出處理各種資料長度的效能。

表3 32位平臺上各加密演算法的軟體實現效能

（速度單位cps = cycles/setup，cpb = cycle/byte，mbps = 106bit/second）

表4 加密演算法處理各種資料長度的效能比較

（速度單位cpb = cycle/byte）

注：ZUC256限制同一金鑰和IV輸出的最大子金鑰長度為20000位元，即2500位元組，因此9000B的測試為越界使用。

2.3 ZUC的加密效能對比結論

從表3和表4可以看出，ZUC128和ZUC256的加密速度沒有顯著差異。

從理論上講，ZUC128和ZUC256在加密時，僅初始化時的僅暫存器設定方式不同，在初始化和工作時每一拍的執行流程完全相同。因此它們的速度不應該有顯著差異。

2.4 ZUC的MAC效能

測試時，每包資料均更換了隨機的金鑰和IV值。

ZUC128和ZUC-256計算MAC（包括ZUC256計算32位元、64位元、128位元MAC）的效能測試結果見表5。

表5 ZUC128和ZUC-256計算MAC的效能

（速度單位：us）

2.5 ZUC的MAC效能對比結論

從表5可以看出，ZUC256的MAC效能比ZUC128的MAC效能略低。詳見表6和圖1。

表6 ZUC128和ZUC-256計算MAC的效能對比

圖1 ZUC128和ZUC-256計算MAC的效能對比

（以ZUC128 32b-MAC的速度為基數1）

ZUC256的MAC效能略低的原因如下。

1. ZUC128 32b-MAC和ZUC256 32b-MAC在計算MAC時，理論上的計算量沒有顯著差異。但在具體實現時，為相容32b、64b、128b-MAC的實現，ZUC256 32b-MAC的實現比ZUC128 32b-MAC略微複雜。這就是ZUC256 32b-MAC實際測試速度略低的主要原因。
2. ZUC128 64b-MAC和ZUC256 128b-MAC相比ZUC128 32b-MAC需要分別多增加2個和6個金鑰字；此外，TAG長度的增加使得異或數也增加。這就使得ZUC128 64b-MAC和ZUC256 128b-MAC會更慢。

3. 分析結論

ZUC128和ZUC256的效能測試結論如下。

1. ZUC128和ZUC256的加密速度沒有顯著差異，詳情參見2.3 ZUC的加密效能對比結論。
2. ZUC256的MAC效能比ZUC128略低，32b、64b、128b-MAC的速度分別可達到ZUC128 32b MAC速度的90.5%、84.7%、73.8%，詳情參見2.5 ZUC的MAC效能對比結論。