Introducción a SM4
El algoritmo SM4 es un algoritmo de cifrado simétrico , también conocido como algoritmo secreto nacional. Fue diseñado por criptógrafos chinos y ha sido incluido en los estándares de la Oficina Estatal de Criptozoología.
El algoritmo SM4 utiliza una clave y un tamaño de bloque de 128 bits , y utiliza 32 rondas de cifrado iterativo, que se pueden utilizar para cifrar datos y verificar códigos de autenticación de mensajes. Su eficiencia de cifrado es muy alta y su seguridad también es muy buena, y se utiliza ampliamente en diversos campos de la seguridad, como el comercio electrónico, las comunicaciones móviles y la computación en la nube.
Diagrama de flujo de implementación del algoritmo
Algoritmo de cifrado
Algoritmo de expansión clave
Entre ellos, el proceso de generación de K0 ~ K3 es el siguiente:
suponga que la clave de entrada es MK = (MK0, MK1, MK2, MK3), luego (K0, K1, K2, K3) = (MK0 ^ FK0, MK1 ^ FK1 , MK2 ^ FK2, MK3^FK3)
Nota:
- CKi y FKi son constantes ;
- El valor de i es i=0,1,...31 y se generan un total de 32 subclaves .
Código fuente
cifrado
S_BOX = [0xD6, 0x90, 0xE9, 0xFE, 0xCC, 0xE1, 0x3D, 0xB7, 0x16, 0xB6, 0x14, 0xC2, 0x28, 0xFB, 0x2C, 0x05,
0x2B, 0x67, 0x9A, 0x76, 0x2A, 0xBE, 0x04, 0xC3, 0xAA, 0x44, 0x13, 0x26, 0x49, 0x86, 0x06, 0x99,
0x9C, 0x42, 0x50, 0xF4, 0x91, 0xEF, 0x98, 0x7A, 0x33, 0x54, 0x0B, 0x43, 0xED, 0xCF, 0xAC, 0x62,
0xE4, 0xB3, 0x1C, 0xA9, 0xC9, 0x08, 0xE8, 0x95, 0x80, 0xDF, 0x94, 0xFA, 0x75, 0x8F, 0x3F, 0xA6,
0x47, 0x07, 0xA7, 0xFC, 0xF3, 0x73, 0x17, 0xBA, 0x83, 0x59, 0x3C, 0x19, 0xE6, 0x85, 0x4F, 0xA8,
0x68, 0x6B, 0x81, 0xB2, 0x71, 0x64, 0xDA, 0x8B, 0xF8, 0xEB, 0x0F, 0x4B, 0x70, 0x56, 0x9D, 0x35,
0x1E, 0x24, 0x0E, 0x5E, 0x63, 0x58, 0xD1, 0xA2, 0x25, 0x22, 0x7C, 0x3B, 0x01, 0x21, 0x78, 0x87,
0xD4, 0x00, 0x46, 0x57, 0x9F, 0xD3, 0x27, 0x52, 0x4C, 0x36, 0x02, 0xE7, 0xA0, 0xC4, 0xC8, 0x9E,
0xEA, 0xBF, 0x8A, 0xD2, 0x40, 0xC7, 0x38, 0xB5, 0xA3, 0xF7, 0xF2, 0xCE, 0xF9, 0x61, 0x15, 0xA1,
0xE0, 0xAE, 0x5D, 0xA4, 0x9B, 0x34, 0x1A, 0x55, 0xAD, 0x93, 0x32, 0x30, 0xF5, 0x8C, 0xB1, 0xE3,
0x1D, 0xF6, 0xE2, 0x2E, 0x82, 0x66, 0xCA, 0x60, 0xC0, 0x29, 0x23, 0xAB, 0x0D, 0x53, 0x4E, 0x6F,
0xD5, 0xDB, 0x37, 0x45, 0xDE, 0xFD, 0x8E, 0x2F, 0x03, 0xFF, 0x6A, 0x72, 0x6D, 0x6C, 0x5B, 0x51,
0x8D, 0x1B, 0xAF, 0x92, 0xBB, 0xDD, 0xBC, 0x7F, 0x11, 0xD9, 0x5C, 0x41, 0x1F, 0x10, 0x5A, 0xD8,
0x0A, 0xC1, 0x31, 0x88, 0xA5, 0xCD, 0x7B, 0xBD, 0x2D, 0x74, 0xD0, 0x12, 0xB8, 0xE5, 0xB4, 0xB0,
0x89, 0x69, 0x97, 0x4A, 0x0C, 0x96, 0x77, 0x7E, 0x65, 0xB9, 0xF1, 0x09, 0xC5, 0x6E, 0xC6, 0x84,
0x18, 0xF0, 0x7D, 0xEC, 0x3A, 0xDC, 0x4D, 0x20, 0x79, 0xEE, 0x5F, 0x3E, 0xD7, 0xCB, 0x39, 0x48
]
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
]
def wd_to_byte(wd, bys):
bys.extend([(wd >> i) & 0xff for i in range(24, -1, -8)])
def bys_to_wd(bys):
ret = 0
for i in range(4):
bits = 24 - i * 8
ret |= (bys[i] << bits)
return ret
def s_box(wd):
"""
进行非线性变换，查S盒
:param wd: 输入一个32bits字
:return: 返回一个32bits字 ->int
"""
ret = []
for i in range(0, 4):
byte = (wd >> (24 - i * 8)) & 0xff
row = byte >> 4
col = byte & 0x0f
index = (row * 16 + col)
ret.append(S_BOX[index])
return bys_to_wd(ret)
def rotate_left(wd, bit):
"""
:param wd: 待移位的字
:param bit: 循环左移位数
:return:
"""
return (wd << bit & 0xffffffff) | (wd >> (32 - bit))
def Linear_transformation(wd):
"""
进行线性变换L
:param wd: 32bits输入
"""
return wd ^ rotate_left(wd, 2) ^ rotate_left(wd, 10) ^ rotate_left(wd, 18) ^ rotate_left(wd, 24)
def Tx(k1, k2, k3, ck):
"""
密钥扩展算法的合成变换
"""
xor = k1 ^ k2 ^ k3 ^ ck
t = s_box(k1 ^ k2 ^ k3 ^ ck)
return t ^ rotate_left(t, 13) ^ rotate_left(t, 23)
def T(x1, x2, x3, rk):
"""
加密算法轮函数的合成变换
"""
t = x1 ^ x2 ^ x3 ^ rk
t = s_box(t)
return t ^ rotate_left(t, 2) ^ rotate_left(t, 10) ^ rotate_left(t, 18) ^ rotate_left(t, 24)
def key_extend(main_key):
MK = [(main_key >> (128 - (i + 1) * 32)) & 0xffffffff for i in range(4)]
# 将128bits分为4个字
keys = [FK[i] ^ MK[i] for i in range(4)]
# 生成K0~K3
RK = []
for i in range(32):
t = Tx(keys[i + 1], keys[i + 2], keys[i + 3], CK[i])
k = keys[i] ^ t
keys.append(k)
RK.append(k)
return RK
def R(x0, x1, x2, x3):
# 使用位运算符将数值限制在32位范围内
x0 &= 0xffffffff
x1 &= 0xffffffff
x2 &= 0xffffffff
x3 &= 0xffffffff
s = f"{
x3:08x}{
x2:08x}{
x1:08x}{
x0:08x}"
return s
def encode(plaintext, rk):
X = [plaintext >> (128 - (i + 1) * 32) & 0xffffffff for i in range(4)]
for i in range(32):
t = T(X[1], X[2], X[3], rk[i])
c = (t ^ X[0])
X = X[1:] + [c]
ciphertext = R(X[0], X[1], X[2], X[3])
# 进行反序处理
return ciphertext
def decode(ciphertext, rk):
ciphertext = int(ciphertext, 16)
X = [ciphertext >> (128 - (i + 1) * 32) & 0xffffffff for i in range(4)]
for i in range(32):
t = T(X[1], X[2], X[3], rk[31 - i])
c = (t ^ X[0])
X = X[1:] + [c]
m = R(X[0], X[1], X[2], X[3])
return m
def output(s, name):
out = ""
for i in range(0, len(s), 2):
out += s[i:i + 2] + " "
print(f"{
name}:", end="")
print(out.strip())
if __name__ == '__main__':
plaintext = 0x0123456789abcdeffedcba9876543210
main_key = 0x0123456789abcdeffedcba9876543210
rk = key_extend(main_key)
print("加密:")
ciphertext = encode(plaintext, rk)
output(ciphertext, "ciphertext")
print("解密:")
m = decode(ciphertext, rk)
output(m, "plaintext")
descifrar
Dado que el algoritmo SM4 es una operación de involución, el algoritmo de descifrado es el mismo que el algoritmo de cifrado, excepto que las claves redondas se utilizan en el orden opuesto.
resultado de la operación
加密:
ciphertext:68 1e df 34 d2 06 96 5e 86 b3 e9 4f 53 6e 42 46
解密
plaintext:01 23 45 67 89 ab cd ef fe dc ba 98 76 54 32 10