随着云计算及物联网的高速发展,传输与存储的数据量急剧增加,时代的发展与进步必然会导致大数据的诞生。大数据的应用也越来越广泛,但是在传输、存储及安全方面都存在诸多问题。因为大数据的数据量庞大,所以传输的时间更长、需要的存储空间更大。传统的加密方案适用于简单的文本加密,用于大数据加密其计算复杂且加密耗时极大,更重要的是传统的加密方案在量子计算机问世时将不再安全。数据压缩能够有效的解决大数据因为数据量庞大导致的传输与存储的问题,而格加密能有效的抗量子攻击,在量子技术成熟时也能够保护数据安全。本文选择了LZ4无损数据压缩算法与R-LWE公钥加密算法来解决上述问题。通过对两种算法的研究,从硬件应用与实现的角度对两种算法在算法或硬件实现上进行了改进,使其硬件实现获得更好的性能。首先,本文针对LZ4无损数据压缩算法在硬件实现中速度慢、无法持续压缩等缺陷,然后提出了改进算法,改进算法在硬件实现后不仅仅资源消耗较少,而且可以实现高达1.92 Gb/s和2.08 Gb/s的压缩和解压吞吐量,分别比以往最好的压缩机和解压器设计快20%和47%。其次,由于加密算法中随机数直接影响加密系统的安全性,因此不能使用伪随机数发生器,但是已有的真随机数发生器(TRNG)的输出速度无法满足高速加密系统的需求。本文提出了一种新型的真随机数发生器,其输出速率为160Mbps,比传统的设计速度更快,资源消耗更少。同时本文对提出的真随机数发生器进行了模型分析,从理论上论证了提出设计的有效性。然后,在R-LWE公钥加密算法的硬件实现中,已有的硬件实现存在两个极端。一个是速度极快资源消耗极大,一个是速度极慢资源消耗小。为了能够有一个速度快资源消耗较少的硬件实现,提出了一种新的多项式乘法器的硬件结构。使用新型多项式乘法器后,R-LWE公钥加密算法的硬件实现的加密时钟数为1284个且吞吐率达到了57.82Mbps,在同样安全级别下的加密中速度最快,资源消耗也较少。最后,为了解决大数据的传输、存储与安全的问题,基于前面的工作设计并实现了一个集压缩与加密于一体的大数据加密算法。压缩后的大数据能够更快的进行传输,同时存储的空间也就大大减少。而加密后的大数据能够防止被未授权者获取。通过与现有的快速压缩算法比较,当前硬件实现方案在硬件资源、加密速度和去除冗余度等方面都有较好的表现。因此设计的基于LZ4数据压缩与格加密的大数据加密算法及其硬件实现能够应用于实际大数据加密当中。