SM4加密算法原理以及C语言实现
文章目录
- 一.算法原理描述
- 1.密钥及密钥参量：
- 2.加密算法:
- 3.解密算法：
- 4.密钥扩展算法：
- 二.C语言算法实现
- .h部分代码：
- .c部分代码：
一.算法原理描述
SM4分组密码算法是一个迭代分组密码算法，由加解密算法和密钥扩展算法组成。SM4分组密码算法采用非平衡Feistel结构，分组长度为128b(16byte)密钥长度为128b(16byte)。加密算法与密钥扩展算法均采用非线性迭代结构。加密运算和解密运算的算法结构相同，解密运算的轮密钥的使用顺序与加密运算相反。
（备注:一次性加密的数据长度为16字节，秘钥也为16字节,算法要求不可变。但可以自行补足字节来做到任意长度字节数据加密，后面C语言实现部分有所体现）
1.密钥及密钥参量：
SM4分组密码算法的加密密钥长度为128b，表示为MK=(MK0,MK1,MK2,MK3)，其中MKi(i=0，1,2,3)为4bytes。
轮密钥表示为(rk0,rk1,···,rk31)，其中rki(i=0,1,···，31)为32b。轮密钥由加密密钥生成。
FK=(FK1,FK2,FK3,FK4)为系统参数，CK=(CK0,CK1,···,CK31)为固定参数，用于密钥扩展算法，其中FKi(i=0,1,···，3)，CKi(i=0,1,···，31)均为32b。
2.加密算法:
SM4加密算法由32次迭代运算和1次反序变换R组成
设明文输入为(X0,X1,X2,X3)∈(Z232)4，密文输出为(Y0,Y1,Y2,Y3)∈(Z232)4,轮密钥为rki∈Z232，i=0,1,···，31。加密算法的运算过程如下。
（1）首先执行32次迭代运算：
Xi+4=F(Xi,Xi+1,Xi+2,Xi+3,rki)=Xi XOR T(Xi XOR Xi+1 XOR Xi+2 XOR Xi+3 XOR rki),i=0,1,···31
（2）对最后一轮数据进行反序变换并得到密文输出：
(Y0,Y1,Y2,Y3)=R(X32,X33,X34,X35)=(X35,X34,X33,X32)。
其中，T：Z232→Z232一个可逆变换，由非线性变换τ和线性变换L复合而成，即T(·)=L(τ(·))。
非线性变换τ由4个并行的S盒构成。设输入为A=(a0,a1,a2,a3)∈(Z28)4，非线性变换τ的输出为B=(b0,b1,b2,b3)∈(Z28)4，即：
(b0,b1,b2,b3)=τ(A)=(Sbox(a0),Sbox(a1),Sbox(a2),Sbox(a3))。
设S盒的输入为EF，则经S盒运算的输出结果结果为第E行、第F列的值，即Sbox(EF)=0x84。
L是线性变换，非线性变换τ的输出是线性变换L的输入。设输入为B∈Z232，则：
C=L(B)=B XOR (B<<<2) XOR (B<<<10) XOR (B<<<18) XOR (B<<<24)。
3.解密算法：
本算法的解密变换与加密变换结构相同，不同的仅是轮密钥的使用顺序，解密时使用轮密钥序(rk31,rk30,···,rk0)。
4.密钥扩展算法：
本算法轮密钥由加密密钥通过密钥扩展算法生成。设加密密钥为MK，MK=(MK0,MK1,MK2,MK3)∈(Z232)4。
轮密钥生成方法为rki=Ki XOR T’(Ki+1 XOR Ki+2 XOR Ki+3 XOR CKi)，(i=0,1,2,···,31)，其中：
K0=MK0 XOR FK0；
K1=MK1 XOR FK1；
K2=MK2 XOR FK2；
K3=MK3 XOR FK3。
（1）T’是将3.2.2节中合成置换T的线性变换L替换为L’：
L’(B)=B XOR (B<<<13) XOR (B<<<23)。
（2）系统参数FK（为定值）的取值为：
FK0=(A3B1BAC6)；
FK1=(56AA3350)；
FK2=(677D9197)；
FK3=(B27022DC)。
（3）固定参数CK（为定值）取值方法为：
设cki,j为CKi的第j字节(i=0,1,···,31;j=0,1,2,3)，即CKi=(cki,0,cki,1,cki,2,cki,3)∈(Z28)4，则cki,j=(4i+j)×7(mod 256)。
固定参数CKi(i=0,1,2,···,31)的具体值为：
00070E15，1C232A31，383F464D，545B6269，
70777E85，8C939AA1，A8AFB6BD，C4CBD2D9，
E0E7EEF5，FC030A11，181F262D，343B4249，
50575E65，6C737A81，888F969D，A4ABB2B9，
C0C7CED5，DCE3EAF1，F8FF060D，141B2229，
30373E45,，4C535A61，686F767D，848B9299，
A0A7AEB5，BCC3CAD1，D8DFE6ED，F4FB0209，
10171E25，2C333A41，484F565D，646B7279。
二.C语言算法实现
.h部分代码：
#ifndef _SM4_H_
#define _SM4_H_
#include .c部分代码：
#include "sm4.h"
//4字节无符号数组转无符号long型
void four_uCh2uLong(u8 *in, u32 *out)
{
int i = 0;
*out = 0;
for (i = 0; i < 4; i++)
*out = ((u32)in[i] << (24 - i * 8)) ^ *out;
}
//无符号long型转4字节无符号数组
void uLong2four_uCh(u32 in, u8 *out)
{
int i = 0;
//从32位unsigned long的高位开始取
for (i = 0; i < 4; i++)
*(out + i) = (u32)(in >> (24 - i * 8));
}
//左移，保留丢弃位放置尾部
u32 move(u32 data, int length)
{
u32 result = 0;
result = (data << length) ^ (data >> (32 - length));
return result;
}
//秘钥处理函数,先使用Sbox进行非线性变化，再将线性变换L置换为L'
u32 func_key(u32 input)
{
int i = 0;
u32 ulTmp = 0;
u8 ucIndexList[4] = { 0 };
u8 ucSboxValueList[4] = { 0 };
uLong2four_uCh(input, ucIndexList);
for (i = 0; i < 4; i++)
{
ucSboxValueList[i] = TBL_SBOX[ucIndexList[i]];
}
four_uCh2uLong(ucSboxValueList, &ulTmp);
ulTmp = ulTmp ^ move(ulTmp, 13) ^ move(ulTmp, 23);
return ulTmp;
}
//加解密数据处理函数,先使用Sbox进行非线性变化，再进行线性变换L
u32 func_data(u32 input)
{
int i = 0;
u32 ulTmp = 0;
u8 ucIndexList[4] = { 0 };
u8 ucSboxValueList[4] = { 0 };
uLong2four_uCh(input, ucIndexList);
for (i = 0; i < 4; i++)
{
ucSboxValueList[i] = TBL_SBOX[ucIndexList[i]];
}
four_uCh2uLong(ucSboxValueList, &ulTmp);
ulTmp = ulTmp ^ move(ulTmp, 2) ^ move(ulTmp, 10) ^ move(ulTmp, 18) ^ move(ulTmp, 24);
return ulTmp;
}
//加密函数（可以加密任意长度数据，16字节为一次循环，不足部分补0凑齐16字节的整数倍）
//len:数据长度(任意长度数据) key:密钥（16字节） input:输入的原始数据 output:加密后输出数据
void encode_fun(u8 len,u8 *key, u8 *input, u8 *output)
{
int i = 0,j=0;
u8 *p = (u8 *)malloc(50); //定义一个50字节缓存区
u32 ulKeyTmpList[4] = { 0 }; //存储密钥的u32数据
u32 ulKeyList[36] = { 0 }; //用于密钥扩展算法与系统参数FK运算后的结果存储
u32 ulDataList[36] = { 0 }; //用于存放加密数据
/***************************开始生成子秘钥********************************************/
four_uCh2uLong(key, &(ulKeyTmpList[0]));
four_uCh2uLong(key + 4, &(ulKeyTmpList[1]));
four_uCh2uLong(key + 8, &(ulKeyTmpList[2]));
four_uCh2uLong(key + 12, &(ulKeyTmpList[3]));
ulKeyList[0] = ulKeyTmpList[0] ^ TBL_SYS_PARAMS[0];
ulKeyList[1] = ulKeyTmpList[1] ^ TBL_SYS_PARAMS[1];
ulKeyList[2] = ulKeyTmpList[2] ^ TBL_SYS_PARAMS[2];
ulKeyList[3] = ulKeyTmpList[3] ^ TBL_SYS_PARAMS[3];
for (i = 0; i < 32; i++) //32次循环迭代运算
{
//5-36为32个子秘钥
ulKeyList[i + 4] = ulKeyList[i] ^ func_key(ulKeyList[i + 1] ^ ulKeyList[i + 2] ^ ulKeyList[i + 3] ^ TBL_FIX_PARAMS[i]);
}
/***********************************生成32轮32位长子秘钥结束**********************************/
for (i = 0; i < len; i++) //将输入数据存放在p缓存区
*(p + i) = *(input + i);
for (i = 0; i < 16-len % 16; i++)//将不足16位补0凑齐16的整数倍
*(p + len + i) = 0;
for (j = 0; j < len / 16 + ((len % 16) ? 1:0); j++) //进行循环加密,并将加密后数据保存（可以看出此处是以16字节为一次加密，进行循环，即若16字节则进行一次，17字节补0至32字节后进行加密两次，以此类推）
{
/*开始处理加密数据*/
four_uCh2uLong(p + 16 * j, &(ulDataList[0]));
four_uCh2uLong(p + 16 * j + 4, &(ulDataList[1]));
four_uCh2uLong(p + 16 * j + 8, &(ulDataList[2]));
four_uCh2uLong(p + 16 * j + 12, &(ulDataList[3]));
//加密
for (i = 0; i < 32; i++)
{
ulDataList[i + 4] = ulDataList[i] ^ func_data(ulDataList[i + 1] ^ ulDataList[i + 2] ^ ulDataList[i + 3] ^ ulKeyList[i + 4]);
}
/*将加密后数据输出*/
uLong2four_uCh(ulDataList[35], output + 16 * j);
uLong2four_uCh(ulDataList[34], output + 16 * j + 4);
uLong2four_uCh(ulDataList[33], output + 16 * j + 8);
uLong2four_uCh(ulDataList[32], output + 16 * j + 12);
}
free(p);
}
//解密函数（与加密函数基本一致，只是秘钥使用的顺序不同，即把钥匙反着用就是解密）
//len:数据长度 key:密钥 input:输入的加密后数据 output:输出的解密后数据
void decode_fun(u8 len,u8 *key, u8 *input, u8 *output)
{
int i = 0,j=0;
u32 ulKeyTmpList[4] = { 0 };//存储密钥的u32数据
u32 ulKeyList[36] = { 0 }; //用于密钥扩展算法与系统参数FK运算后的结果存储
u32 ulDataList[36] = { 0 }; //用于存放加密数据
/*开始生成子秘钥*/
four_uCh2uLong(key, &(ulKeyTmpList[0]));
four_uCh2uLong(key + 4, &(ulKeyTmpList[1]));
four_uCh2uLong(key + 8, &(ulKeyTmpList[2]));
four_uCh2uLong(key + 12, &(ulKeyTmpList[3]));
ulKeyList[0] = ulKeyTmpList[0] ^ TBL_SYS_PARAMS[0];
ulKeyList[1] = ulKeyTmpList[1] ^ TBL_SYS_PARAMS[1];
ulKeyList[2] = ulKeyTmpList[2] ^ TBL_SYS_PARAMS[2];
ulKeyList[3] = ulKeyTmpList[3] ^ TBL_SYS_PARAMS[3];
for (i = 0; i < 32; i++) //32次循环迭代运算
{
//5-36为32个子秘钥
ulKeyList[i + 4] = ulKeyList[i] ^ func_key(ulKeyList[i + 1] ^ ulKeyList[i + 2] ^ ulKeyList[i + 3] ^ TBL_FIX_PARAMS[i]);
}
/*生成32轮32位长子秘钥结束*/
for (j = 0; j < len / 16; j++) //进行循环加密,并将加密后数据保存
{
/*开始处理解密数据*/
four_uCh2uLong(input + 16 * j, &(ulDataList[0]));
four_uCh2uLong(input + 16 * j + 4, &(ulDataList[1]));
four_uCh2uLong(input + 16 * j + 8, &(ulDataList[2]));
four_uCh2uLong(input + 16 * j + 12, &(ulDataList[3]));
//解密
for (i = 0; i < 32; i++)
{
ulDataList[i + 4] = ulDataList[i] ^ func_data(ulDataList[i + 1] ^ ulDataList[i + 2] ^ ulDataList[i + 3] ^ ulKeyList[35 - i]);//与加密唯一不同的就是轮密钥的使用顺序
}
/*将解密后数据输出*/
uLong2four_uCh(ulDataList[35], output + 16 * j);
uLong2four_uCh(ulDataList[34], output + 16 * j + 4);
uLong2four_uCh(ulDataList[33], output + 16 * j + 8);
uLong2four_uCh(ulDataList[32], output + 16 * j + 12);
}
}
//无符号字符数组转16进制打印
void print_hex(u8 *data, int len)
{
int i = 0;
char alTmp[16] = { '0','1','2','3','4','5','6','7','8','9','a','b','c','d','e','f' };
for (i = 0; i < len; i++)
{
printf("%c", alTmp[data[i] / 16]);
printf("%c", alTmp[data[i] % 16]);
putchar(' ');
}
putchar('\n');
}
/*在主函数中实现任意字节加密与解密，并且结果正确*/
int main(void)
{
u8 i,len;
u8 encode_Result[50] = { 0 }; //定义加密输出缓存区
u8 decode_Result[50] = { 0 }; //定义解密输出缓存区
u8 key[16] = { 0x01,0x23,0x45,0x67,0x89,0xab,0xcd,0xef,0xfe,0xdc,0xba,0x98,0x76,0x54,0x32,0x10 }; //定义16字节的密钥
//u8 Data_plain[18] = { 0x01,0x23,0x45,0x67,0x89,0xab,0xcd,0xef,0xfe,0xdc,0xba,0x98,0x76,0x54,0x32,0x10,0x01,0x23 };//定义18字节的原始输入数据（测试用）
//u8 Data_plain[32] = { 0x01,0x23,0x45,0x67,0x89,0xab,0xcd,0xef,0xfe,0xdc,0xba,0x98,0x76,0x54,0x32,0x10,0x01,0x23,0x45,0x67,0x89,0xab,0xcd,0xef,0xfe,0xdc,0xba,0x98,0x76,0x54,0x32,0x10 };//定义32字节的原始输入数据（测试用）
u8 Data_plain[16] = { 0x01,0x23,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};//定义16字节的原始输入数据（测试用）
len = 16 * (sizeof(Data_plain) / 16) + 16 * ((sizeof(Data_plain) % 16) ? 1 : 0);//得到扩充后的字节数（解密函数会用到）
encode_fun(sizeof(Data_plain),key, Data_plain, encode_Result); //数据加密
printf("加密后数据是：\n");
for (i = 0; i < len ; i++)
printf("%x ", *(encode_Result + i));
/*注意：此处解密函数的输入数据长度应为扩展后的数据长度，即必为16的倍数*/
decode_fun(len,key, encode_Result, decode_Result); //数据解密
printf("解密后数据是：\n");
for (i = 0; i < len; i++)
printf("%x ", *(decode_Result + i));
system("pause");
return 0;
}