【信息安全】SM4国密算法原理

本文主要是介绍【信息安全】SM4国密算法原理，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

1. SM4国密算法介绍

SM4国密算法是一种对称密码算法，也称为SM4分组密码算法，它在中国国家密码管理局发布的国家密码算法标准中被广泛采用。SM4分组密码算法各个分组长度一般为128bit，密钥长度也为128bit。加密算法和密码扩展算法都采用32轮非线性迭代机制。

本文将SM4算法分为两个模块进行介绍，一部分是加/解密模块，另一部分是密钥扩展模块。这些模块中包含的运算操作主要有：异或运算、移位变换、盒变换。

异或运算 XOR
在异或运算中，如果参与运算的两个值相同，则结果为假（或0）；如果两个值不同，则结果为真。异或运算的真值表如下：

A	B	A XOR B
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

移位变换
在密码学中，移位是一种简单的加密技术，通过将字母或数字按照固定的位数进行移动来加密文本。
盒变换
盒变换是一种非线性变换，它通过查找预定义的S盒（Substitution Box）来替换输入的每个字节。S盒是一个固定的字节替代表，将输入字节映射到输出字节。在SM4中，S盒是一个16x16的矩阵，包含了固定的字节替代值。盒变换可以增加加密算法的非线性和安全性。SM4盒变换矩阵如图所示：

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2. 加解密模块

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图2.1 加/解密流程图

图2.1给出了SM4算法的加/解密流程图。输入为128bit的明文数据，输出为128bit的密文数据。整个加/解密过程，需要经过32 $(i = 0, 1, ..., 31)$ 轮迭代，当i=0时进行第一轮变换，一直进行到 $i = 31$ 结束。加/解过程表示为，其中F为轮函数，即32轮非线性迭代机制。

将输入的128bit的明文，按bit位分成4组32bit的数据，表示为 $\left(X_i, X_{i+1}, X_{i+2}, X_{i+3}\right)$ ，其中 $X_i (i=0,1,…,31)$ 为32bit明文数据。

首先，将 $X_i$ 保持不变，将 $X_{i+1}, X_{i+2}, X_{i+3}$ 和轮密钥 $rk_i$ 异或得到一个32bit的数据，作为盒变换的输入，表示为sbox $_{\text {input }}=X_{i+1} \oplus X_{i+2} \oplus X_{i+3} \oplus rk_i$ ，其中 $\oplus$ 表示异或运算， $rk_i$ 为轮密钥。

然后，将 $sbox_{\text {input }}$ 拆分成4个8bit的数据，分别执行盒变换操作。将4个盒变换的输出（每个输出依然为8bit）组合成一个32bit的 $sbox_{\text {output }}$ 。

然后，将这个32bit的sbox_output 执行移位变换操作。执行4次循环左移操作，分别循环左移2，10，18，24位，得到4个32bit的结果，分别记为 $y_{2}$ ， $y_{10}$ ， $y_{18}$ ， $y_{\text {24 }}$ 。

将移位的结果 $y_{2}$ ， $y_{10}$ ， $y_{18}$ ， $y_{\text {24 }}$ ，盒变换的输出sbox_output，第一组输入明文 $X_{i}$ ，三者进行异或，得到 $X_{i+4}$ ，表示为 $X_{i+4}=sbox_{output}⊕y_{2}⊕y_{10}⊕y_{18}⊕y_{24}⊕X_{i}$

实际加/解密过程中，上述流程共执行32轮，每一轮使用都使用不同的轮密钥 $rk_i=K_{i+4} (i=0,1,…,31)$ ，轮密钥通过密钥扩展产生。将轮函数F最后生成的4个32bit数据 $X_{32},X_{33},X_{34},X_{34}$ 合并后执行反序变换操作，得到最终的128bit的密文数据，即 $X_{35},X_{34},X_{33},X_{32}$ 。

3. 密钥扩展模块

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图3.1 密钥扩展流程图

图3.1给出了密钥扩展的流程图。输入为初始密钥，是一个128bit的数据，输出为32bit的轮密钥。

首先，将初始密钥按位拆分为4个32bit的数据，记为 $MK_0,MK_1,MK_2,MK_3$ 。然后将初始密钥与系统参数FK，进行按位异或，得到用于循环的密钥 $K_0,K_1,K_2,K_3$ ，其中 $K_0=M K_0 \oplus F K_0, \quad K_1=K_1 \oplus F K_1, K_2=K_2 \oplus F K_2, \quad K_3=K_3 \oplus F K_3$ 。