📍基本概念

SM4原名是SMS4，该算法最早于2006年1月公布，用于无线局域网产品的分组对称密码算法。
SM4分组长度和密钥长度为128比特数据处理单位：字（32位），字节（8位）
密码算法结构：Feistel结构，与DES不同的是，SM4采用非对称的Feistel结构，一边1个字，另一边为3个字。（滑窗结构）
SM4密码算法属于对合运算，加密与解密算法的结构相同
SM4共迭代32轮

📍流程

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  • 每个分组128位明文分组分为4个32位的字
  • 经过32轮迭代变换
  • 再将4个字反序变化后

  • 得到128位密文

    📍运算符号

    ⊕ 表示32比特异或运算
    <<< i 表示32比特循环左移i位

    📍密码部件

    📌S盒：非线性字节变换部件

    含义

  • 8位输入、8位输出

  • 本质上，8位的非线性置换
  • 设输入位 a ，输出位 b ，表示为： b=S_Box(a)

  • S盒为固定的8比特输入8比特输出的置换，记为S(.)

    规则

  • S盒中的数据都是十六进制表示的，它的置换规则是：以输入的前半字节为行号，后半字节为列号，行列交叉点出的数据即为输出。

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    📌字变换τ：4个S盒并行置换

    含义

  • 32位字的非线性变换

  • 设输入字 A=(a ,a ,a ,a) ，输出字 B=(b ,b ,b ,b)，

B= τ(A)=(S_box(a), S_box(a), S_box(a), S_box(a))
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📌字线性变换L：字线性变换部件

含义

  • 32位输入，32位输出
  • 设输入位 B，输出位 C，表为：C=L ( B )

  • 运算规则： C=L ( B ) =B ⊕(B<<<2) ⊕(B<<<10) ⊕(B<<<18) ⊕(B<<<24)

    📌字合成变换T：可逆变换

    含义

  • 由 非线性变换τ 和 线性变换L 复合而成；

  • T(X)=L(τ(x)) 先S盒变换，再L变换

    📍轮函数F

    📌概念

  • 输入数据: ( X, X, X, X ) ，128位，四个32位字

  • 输入轮密钥： rk ，32位字
  • 输出数据：32位字
  • 轮函数 F ：

  • F ( X, X, X, X, rk ) = X ⊕T ( X ⊕ X ⊕ X ⊕ rk )

    📌F ( X, X, X, X, rk ) = X ⊕ T ( X ⊕ X ⊕ X ⊕ rk )

    rk 是轮密钥，合成变换T是一个可逆变换，由 非线性变换τ 和 线性变换L 构成
    F 的计算过程：输入数据的 X 与合成置换T的输出做异或运算即可。

    📍加密算法

    输入明文： ( X, X, X, X )，128位，四个字
    输入轮密钥：rk ，i=0 ，1 ，… ，31，共32个字
    输出密文：( Y, Y, Y, Y )，128位，四个字
    算法结构：轮函数的32轮迭代，每轮使用一个轮密钥
    加密算法：
    X = F( X, X, X, X, rk )
    = Xi ⊕ T ( X ⊕ X ⊕ X ⊕ rk )，i=0，1…31
    ( Y, Y, Y, Y )= ( X, X, X, X )
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    📍解密算法*无须掌握

    📌步骤

  • 输入加密密钥：MK= ( MK , MK , MK , MK )

  • 输出轮密钥： rk，i=0，1，…，30，31
  • 中间数据： K， i=0，1，…，34，35
  • 密钥扩展算法：
    • ① ( K, K, K, K ) = ( MK ⊕ FK , MK ⊕ FK , MK ⊕ FK , MK ⊕ FK )
    • ② For i=0,1, … ,30,31
    • Do ik =K+4 =K ⊕T’( K ⊕ K ⊕ K ⊕CK )
  • 说明： T’变换 与 加密函数中的 T 基本相同，只将其中的 线性变换 L 修改为以下 L’
    • L’(B)=B⊕(B<<<13) ⊕(B<<<23)
  • 其中， FK=( FK , FK , FK , FK ) 为系统参数， CK=(CK , CK , … , CK ) 为固定参数，用于密钥扩展算法，其中 FK (i=0 , … , 3)、CK (i=0 , … , 31) 为字

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📌定义

  • 输入密文： ( X, X, X, X )
  • 输入轮密钥： rki ， i=31，30，…，1，0，共32个字
  • 输出明文： ( Y, Y, Y, Y )
  • 算法结构：轮函数的32轮迭代，每轮使用一个轮密钥。
  • 解密算法：

X = F ( X, X, X ,X , rk )
= X ⊕T ( X ⊕ X ⊕ X ⊕rk ) , i=31, …, 1, 0
(Y, Y, Y, Y )= (X, X, X, X )

📍密钥扩展

📌常数

在密钥扩展中使用一些常数
FK = ( A3B1BAC6 ) , FK = ( 56AA3350 ) ,
FK = ( 677D9197 ) , FK = ( B27022DC) 。

📌固定参数 CK

CK是32位， 00070e15是用16进制数表示的，
算法是：Ck = ( 4i+j) × 7( mod 256) , i=0,1,2,…,31 , j=0,1,…,3
i是外循环共32轮，j是内循环共4次，
例:i=0,j=0，Ck 00 =0，16进制表示为：00
i=0,j=1，Ck =7，16进制表示为：07
i=0,j=2，Ck =14，16进制表示为：0e
i=0,j=3，Ck =21，16进制表示为：15
00 07 0e 15,拼在一起00070e15 ,即CK
i=1,j=0，Ck =28，16进制表示为：1c
i=1,j=1，Ck =35，16进制表示为：23
i=1,j=2，Ck =42，16进制表示为：2a
i=1,j=3，Ck =49，16进制表示为：31
1c 23 2a 31,拼在一起为1c232a31 ，即CK

📍SM4的安全性

①国家专业机构设计。算法简洁，以字和字节为处理单位，对和运算，符合当今分组密码主流。
②专业机构进行了密码分析，因此是安全的。
③民间学者对21轮SMS4进行了差分密码分析。
④尚需经过实践检验。