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基本概述

SM4是一种分组密码算法，由我国国家密码管理局在2012年发布，常用于无线互联网加密等领域

• 分组算法（分组长度为128位）
• 密钥长度128位
• 加密和解密采用32轮迭代

加密流程

输入明文分组

输入的是128位的明文

分解为4个32位的明文

X1,X2,X3,X4

加密轮次迭代

SM4算法的轮次迭代是32轮迭代加密

明文32轮迭代

每一轮迭代需要一个字节的轮密钥（需要32个轮密钥，记rk0,rk1,rk2……rki）

循环调用轮函数F(Xi,Xi+1,Xi+2,Xi+3,rki)

• 接收参数（4个一字节的明文和1一个1字节的轮密钥）
• 轮加密实现
• 加密输出（一个字节的密文）

示例：

4字明文(X0,X1,X2,X3)

第一轮迭代就是使用前4字明文和第一轮的轮密钥计算第5个字

第二轮迭代就是使用前4字明文和第二轮的轮密钥计算第6个字 以此类推，执行32轮，可以得到32个字节

反序变换

进行一次简单的反序变换

将迭代最后得到的四个字(X32,X33,X34,X35)进行反序

（Y0,Y,Y2,Y3）→（X35,X34,X33,X32)

轮函数F构造

运算公式

F(Xi,Xi+1,Xi+2,Xi+3,rki)=Xi⊕T(Xi+1⊕Xi+2⊕Xi+3⊕rki)

合成置换T

接收4个字节的输入A→输出4个字节的C

非线性变换+线性变换

非线性变换

非线性变即对输入参数的每个字节进行S盒（Sbox）变换

static uint8_t SBox[256] = {
    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};

把一个字节的8位二进制写成2位十六进制，然后以十六进制的第一个数字为行，第二个数字为列，在S盒表中查找对应的数字

线性变换

对一个数据进行循环左移
​
具体做法：把数据向左移动若干位，左边溢出的数字补到右边例例如：对1234567左移三位，得到4567123

接收4个字节的输入，计算得到4个字节的输出

运算公式：

密钥扩展算法

原始加密密钥位MK=(MK0,MK1,MK2,MK3)

初始化密钥

将原始密钥的每4个字节MKi与系统参数FKi异或，得到

(K0,K1,K2,K3)=(MK0⊕FK0,MK1⊕FM1,MK2⊕FK2,MK3⊕FM3)

系统参数为：

轮迭代生成密钥

对这四个字进行32轮迭代，生成32个轮密钥

轮迭代轮次

第一轮：

并将K4作为第一轮的轮秘钥rk0

第二轮：

并将K5作为第二轮的轮秘钥rk1

以此类推……进行32轮，得到32个轮密钥

迭代算法

以第一轮为例：

T’类似合成置换的T
CK0为固定参数

置换T’

置换T‘和加密中的合成置换T过程相似，均为非线性变化和线性变换方式组成

非线性变换

与T的变换的方式相同

线性变换

固定参数CKi

共有32CKi，每一轮使用不同的CKi

CKi长度为4个字节，

CKi=(cki0,cki1,cki2,cki3)

构造方式是

令cki,j(第i-1轮，第j个)

具体的32个CKi：

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

加密流程图

C++加密实现

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