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安全基础学习-SM4加密算法

news 来源：原创 2024/9/18 5:10:31

SM4 是一种中国国家密码标准（GB/T 32907-2016）中定义的分组加密算法，又称为“中国商用密码算法SM4”。它是由中国国家密码管理局发布的，并广泛应用于金融、电子商务和其他需要数据加密的场景。

1、SM4 算法概述

SM4 是一种对称加密算法，意味着加密和解密使用相同的密钥。它是一个 128 位（16 字节）分组密码，意味着它将明文分成 128 位的块，然后对每个块进行加密。SM4 使用了 128 位的密钥进行加密和解密。

SM4 算法的主要特点是：

分组长度：128 位。
密钥长度：128 位。
加密模式：支持多种模式，如ECB（电子密码本）、CBC（加密分组链接）、CTR（计数器模式）等。

2、SM4 的工作原理

SM4 的加密和解密过程主要由以下几个部分组成：

密钥扩展：从 128 位的主密钥生成 32 个轮密钥，每个轮密钥长度为 32 位。
轮函数：加密和解密过程中，明文（或密文）经过 32 轮的迭代计算，每一轮使用一个轮密钥。
非线性变换函数 τ：τ 是一个基于 S 盒的非线性变换，将 32 位输入数据通过 S 盒转换为 32 位输出数据。
S 盒的每个字节输入都映射到一个输出字节。
线性变换函数 L：L 是一个线性变换函数，它对输入数据进行移位和异或操作来实现扩散效果。
C=L(B)=B⨁(B<<<2)⨁(B<<<10)⨁(B<<<18)⨁(B<<<24)

3、SM4 的实现步骤

3.1 参数设置

输入数据：128 位的明文或密文数据。
密钥：128 位的加密密钥。
轮数：32 轮加密或解密操作。

3.2 密钥扩展 (Key Expansion)

SM4 使用一个 128 位的主密钥 MK 生成 32 个轮密钥 RK。
通过以下步骤生成轮密钥：

密钥初始化：将 MK 分为四个 32 位的部分 MK[0], MK[1], MK[2], MK[3]，然后通过线性变换得到 K[0], K[1], K[2], K[3]。
轮密钥生成：从 K[0] 到 K[3] 开始，通过每轮的线性变换和非线性变换生成新的密钥 K[i]，最终得到 32 个轮密钥 RK[0] 到 RK[31]。

3.3 加密过程 (Encryption Process)

加密过程包括 32 轮迭代，每轮都使用一个不同的轮密钥 RK。
具体步骤如下：

数据初始化：将 128 位明文 P 分为四个 32 位的部分 X[0], X[1], X[2], X[3]。
32 轮迭代：对于每一轮 i，执行以下操作：
- 使用非线性变换函数 τ 和线性变换函数 L，结合当前状态 X[i-3], X[i-2], X[i-1], X[i] 和轮密钥 RK[i] 计算新状态 X[i+1]。
- 新状态的计算公式为：
  X[i+1]=X[i−3]⊕L(τ(X[i]⊕X[i−1]⊕X[i−2]⊕RK[i]))
最终状态：在第 32 轮结束后，四个 32 位的状态 X[35], X[34], X[33], X[32] 将作为加密后的密文输出。

在这里插入图片描述

3.4 解密过程 (Decryption Process)

解密过程与加密过程类似，但轮密钥的使用顺序相反。
使用与加密相同的函数和操作步骤，只是在每轮中使用的轮密钥顺序相反，即从 RK[31] 到 RK[0]。

在这里插入图片描述

4、数据举例

明文（128 位）：0x0123456789ABCDEFFEDCBA9876543210
密钥（128 位）：0x0123456789ABCDEFFEDCBA9876543210

4.1 密钥扩展 (Key Expansion)

首先，将 128 位的密钥 MK 分为四个 32 位的部分：

MK[0] = 0x01234567
MK[1] = 0x89ABCDEF
MK[2] = 0xFEDCBA98
MK[3] = 0x76543210

接下来，定义系统参数 FK 和 CK，然后通过公式生成初始密钥 K[0], K[1], K[2], K[3]。计算过程如下：

K[0] = MK[0] ⊕ FK[0]
K[1] = MK[1] ⊕ FK[1]
K[2] = MK[2] ⊕ FK[2]
K[3] = MK[3] ⊕ FK[3]

假设 FK 的值为：

FK[0] = 0xA3B1BAC6
FK[1] = 0x56AA3350
FK[2] = 0x677D9197
FK[3] = 0xB27022DC

计算得到：

K[0] = 0xA3B1BAC6 ⊕ 0x01234567 = 0xA3928FE1
K[1] = 0x56AA3350 ⊕ 0x89ABCDEF = 0xDF01FE9F
K[2] = 0x677D9197 ⊕ 0xFEDCBA98 = 0x9971AB0F
K[3] = 0xB27022DC ⊕ 0x76543210 = 0xC42410CC

通过 32 轮迭代生成每一轮的轮密钥 RK。在此只演示前几轮的轮密钥生成：

RK[0] = K[0] ⊕ L(τ(K[1] ⊕ K[2] ⊕ K[3] ⊕ CK[0]))
RK[1] = K[1] ⊕ L(τ(K[2] ⊕ K[3] ⊕ RK[0] ⊕ CK[1]))

4.2 加密过程 (Encryption Process)

将 128 位的明文 P 分为四个 32 位的部分：

X[0] = 0x01234567
X[1] = 0x89ABCDEF
X[2] = 0xFEDCBA98
X[3] = 0x76543210

通过 32 轮迭代计算每一轮的新状态 X[i+1]。同样，我们只演示前几轮的计算：

X[4] = X[0] ⊕ L(τ(X[1] ⊕ X[2] ⊕ X[3] ⊕ RK[0]))
X[5] = X[1] ⊕ L(τ(X[2] ⊕ X[3] ⊕ X[4] ⊕ RK[1]))

以此类推，直至第 32 轮计算完成。

4.3 最终密文生成

在第 32 轮结束后，四个 32 位的状态 X[35], X[34], X[33], X[32] 将作为加密后的密文输出。最终密文将是这四个 32 位状态的组合。

例如，假设最终结果为：

X[32] = 0xF58A8A5C
X[33] = 0x70F7C3A7
X[34] = 0xA8E62D79
X[35] = 0xD2F0C1BC

则输出密文为：0xF58A8A5C70F7C3A7A8E62D79D2F0C1BC

4.4 解密过程

解密过程与加密过程类似，只需将轮密钥 RK 的顺序逆转，从 RK[31] 到 RK[0] 使用同样的操作。

5、应用模式

SM4 可以结合多种模式使用，例如 ECB（电子密码本模式）、CBC（密码分组链接模式）、CFB（密码反馈模式）、OFB（输出反馈模式）等，以适应不同的应用场景。

6、python实现（ECB模式）

# SM4 Implementation in Python# Constants used in SM4
FK = [0xA3B1BAC6, 0x56AA3350, 0x677D9197, 0xB27022DC]
CK = [0x00070E15, 0x1C232A31, 0x383F464D, 0x545B6269, 0x70777E85, 0x8C939AA1, 0xA8AFB6BD, 0xC4CBD2D9,0xE0E7EEF5, 0xFC030A11, 0x181F262D, 0x343B4249, 0x50575E65, 0x6C737A81, 0x888F969D, 0xA4ABB2B9,0xC0C7CED5, 0xDCE3EAF1, 0xF8FF060D, 0x141B2229, 0x30373E45, 0x4C535A61, 0x686F767D, 0x848B9299,0xA0A7AEB5, 0xBCC3CAD1, 0xD8DFE6ED, 0xF4FB0209, 0x10171E25, 0x2C333A41, 0x484F565D, 0x646B7279
]# S-box
SBOX = [# 16x16 S-Box Table0xd6, 0x90, 0xe9, 0xfe, 0xcc, 0xe1, 0x3d