SM4密码算法实现(C语言只使用stdio.h库)

SM4算法分析与实现

目录

• SM4算法简介
• SM4算法原理
• SM4算法实现与设计
• 完整代码

加密流程图点这里

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SM4算法简介

SM4密码算法是一个分组算法。数据分组长度为128比特，密钥长度为128比特。加密算法与密钥扩展算法都采用32轮迭代结构。SM4密码算法以字节（8位）和字（32位）为单位进行数据处理。SM4密码算法是对合运算，因此解密算法与加密算法相同，只是轮密钥的使用顺序相反，解密轮密钥是加密轮密钥的逆序。

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SM4算法原理

基本运算
SM4密码算法使用模2加和循环移位作为基本运算。
- 模2加：⊕，32位异或运算
- 循环移位：<<< i，把32位字循环左移i位。

基本密码部件

• S盒

  SM4的S盒是一种以字节为单位的非线性代替变换，其密码学的作用起混淆作用。S盒的输入和输出都是8位的字节，它本质上是8位的非线性置换。设输入字节为a，输出字节为b，则S盒的运算可表示为：
  $$b=Sbox(a)$$
  S盒的代替规则如下表所示。例如，设S盒的输入为EF，则5盒的输出为表中第E行与第F列交点处的值84，即Sbox(EF)= 84。
  

• 非线性变换τ

  SM4的非线性变换τ是一种以字为单位的非线性代替变换。它由4个S盒并置构成。本质上它是S盒的一种并行应用。

  设输入字为A＝(a₀，a₁，a₂，a₃），输出字为B＝(b₀，b₁，b₂，b₃)，则
  $$B=\tau (A)=(Sbox(a_0)，Sbox(a_1)，Sbox(a_2)，Sbox(a_3))$$

• 线性变换部件L

  线性变换部件L是以字为处理单位的线性变换部件，其输入输出都是32位的字。其密码学的作用是起扩散的作用。
  设L的输入为字B，输出为字C，则
  $$C=L(B)=B\oplus (B<<<2)\oplus (B<<<10)\oplus (B<<<18)\oplus (B<<<24)$$

• 合成变换T

  合成变换T由非线性变换τ和线性变换L复合而成，数据处理的单位是字。设输入为字，则先对X进行非线性τ变换，再进行线性L变换。记为
  $$T(X)=L(\tau (X))$$
  由于合成变换T是非线性变换τ和线性变换L的复合，所以它综合起到混淆和扩散的作用，从而可提高密码的安全性。

轮函数
SM4密码算法采用对基本轮函数进行迭代的结构。利用上述基本密码部件，便可构成轮函数。SM4密码算法的轮函数是一种以字为处理单位的密码函数。
设轮函数F的输入为(X₀，X₁，X₂，X₃)，四个32位字，共128位。轮密钥为RK，RK也是一个32位的字。轮函数F的输出也是一个32位的字。轮函数F的运算如下：
$$F(X_0，X_1，X_2，X_3，RK)=X_0\oplus T(X_1\oplus X_2\oplus X_3\oplus RK)$$

加密算法

SM4密码算法是一个分组算法。数据分组长度为128比特，密钥长度为128比特。加密算法采用32轮迭代结构，每轮使用一个轮密钥。
设输入明文为(X₀，X₁，X₂，X₃)，四个字，共128位。输入轮密钥为RK_i，i＝0,1,…,31，共32个字。输出密文为(Y₀，Y₁，Y₂，Y₃)，四个字，128位。则加密算法可描述如下:
X i + 4 = F ( X 1 ， X i + 1 ， X i + 2 ， X i + 3 ， R K i ) = X i ⊕ T ( X i + 1 ⊕ X i + 2 ⊕ X i + 3 ⊕ R K i ) ,   i = 0 , 1 , . . . , 31 X_{i+4}=F(X_1，X_{i+1}，X_{i+2}，X_{i+3}，RKi)\\=X_i⊕T(X_{i+1}⊕X_{i+2}⊕X_{i+3}⊕RK_i),~i=0,1,...,31 Xi+4​=F(X1​，Xi+1​，Xi+2​，Xi+3​，RKi)=Xi​⊕T(Xi+1​⊕X