一、SM4算法原理

SM4是中国国家密码管理局于2012年发布的国家商用密码算法标准,也称为GB/T 32907-2016。它是一种分组对称加密算法,采用32轮非线性迭代结构,分组长度和密钥长度均为128位。SM4算法的设计充分考虑了安全性、高效性和实现简便性,其核心思想是通过多轮非线性变换和扩散操作实现数据的充分混淆。算法结构上采用了Feistel网络的变种,每轮处理都包含异或、S盒替换和线性变换等操作,确保密文与明文及密钥之间具有高度复杂的非线性关系。

SM4的轮函数设计是其安全性的关键所在。每轮操作首先将32位输入与轮密钥进行异或,然后通过S盒进行非线性替换,最后进行线性变换L操作。S盒是精心设计的8位输入8位输出的置换表,提供算法的非线性特性;线性变换L则通过循环移位和异或操作实现良好的扩散效果。轮函数中,S盒和线性变换L的组合构成了T变换,这是SM4的核心操作。32轮这样的迭代处理使得算法具有足够的安全性,能够抵抗目前已知的各种密码分析攻击。

密钥扩展算法是SM4的重要组成部分,它将128位初始密钥扩展为32个32位的轮密钥。扩展过程使用了与加密算法类似的T'变换,但采用了不同的线性变换参数。密钥扩展中引入了系统参数FK和固定参数CK,FK用于初始密钥的预处理,CK则在每轮密钥生成中提供不同的常量。这种设计确保了轮密钥之间的相关性极低,有效防止了相关密钥攻击。密钥扩展算法的递归结构也使得实现更加高效,便于硬件和软件优化。

SM4算法具有较高的安全性和良好的实现性能。经过严格的安全性分析,SM4能够抵抗差分分析、线性分析等常见攻击方法。算法设计上特别考虑了在硬件和软件平台上的高效实现,适合在智能卡、嵌入式系统、服务器等多种环境中部署。作为中国自主设计的密码标准,SM4已被广泛应用于金融、电子政务、物联网等领域的加密保护,并纳入国际标准化组织(ISO/IEC)的国际标准,成为全球认可的密码算法之一。

二、C语言实现

1. 基本运算与数据结构

实现中首先定义了32位循环左移宏ROT32L和联合体inter_value,后者用于方便地在32位字和字节数组之间转换。循环左移是SM4算法中线性变换的基础操作,而inter_value联合体则简化了字节级访问操作。S盒(sm4_sbox)被定义为256字节的常量数组,提供非线性变换能力。这些基础组件为后续的密钥扩展和加密操作提供了必要支持,其高效实现直接影响整个算法的性能表现。

2. 密钥扩展实现

key_expansion函数实现了SM4的密钥扩展算法。该函数首先使用系统参数FK对主密钥进行预处理,然后通过32轮迭代生成轮密钥。每轮密钥生成使用了固定参数CK和类似加密的T'变换(与加密T变换的线性参数不同)。实现中巧妙地利用模运算(i & 3)循环访问中间密钥状态,避免了复杂的数组操作。密钥扩展过程充分混合了主密钥的各个部分,确保生成的轮密钥具有良好的随机性和不可预测性,这是算法安全性的重要保障。

3. 加密核心函数

加密功能由T_transform内联函数和encrypt函数共同实现。T_transform封装了SM4的核心T变换,包括S盒替换和线性变换L操作;encrypt则实现了32轮加密迭代,每轮使用不同的轮密钥。加密过程中采用了类似密钥扩展的状态更新方式,通过模运算高效管理中间状态。最终输出阶段对状态字进行逆序排列,完成加密过程。这些函数通过精心设计的控制流和数据访问模式,在保证安全性的同时实现了较高的执行效率。

完整代码如下:

#include <stdint.h>
#include <stdio.h>#define ROT32L(x, n) (((x) << ((n) & 0x1F)) | ((x) >> ((32 - (n)) & 0x1F)))typedef union {uint32_t w;uint8_t b[4];
} inter_value;static const uint8_t sm4_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
};void key_expansion(const uint32_t *main_key, uint32_t *round_key) {static const uint32_t FK[4] = {0xa3b1bac6, 0x56aa3350, 0x677d9197, 0xb27022dc};static const uint32_t CK[32] = {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};inter_value x[4] = {0};inter_value X;for (uint8_t i = 0; i < 4; i++) {x[i].w = main_key[i] ^ FK[i];}for (int i = 0; i < 32; i++) {X.w = x[(i + 1) & 3].w ^ x[(i + 2) & 3].w ^ x[(i + 3) & 3].w ^ CK[i];inter_value t;t.b[0] = sm4_sbox[X.b[0]];t.b[1] = sm4_sbox[X.b[1]];t.b[2] = sm4_sbox[X.b[2]];t.b[3] = sm4_sbox[X.b[3]];t.w = t.w ^ ROT32L(t.w, 13) ^ ROT32L(t.w, 23);x[i & 3].w = x[i & 3].w ^ t.w;round_key[i] = x[i & 3].w;}
}static inline uint32_t T_transform(inter_value X) {inter_value t;t.b[0] = sm4_sbox[X.b[0]];t.b[1] = sm4_sbox[X.b[1]];t.b[2] = sm4_sbox[X.b[2]];t.b[3] = sm4_sbox[X.b[3]];t.w ^= ROT32L(t.w, 2) ^ ROT32L(t.w, 10) ^ ROT32L(t.w, 18) ^ ROT32L(t.w, 24);return t.w;
}void encrypt(const uint32_t *plain, const uint32_t *round_key, uint32_t *cipher) {uint32_t X[4];for (uint8_t i = 0; i < 4; i++) {X[i] = plain[i];}for (int i = 0; i < 32; i++) {inter_value tmp;tmp.w = X[(i + 1) & 3] ^ X[(i + 2) & 3] ^ X[(i + 3) & 3] ^ round_key[i];X[i & 3] ^= T_transform(tmp);}for (uint8_t i = 0; i < 4; i++) {cipher[i] = X[3 - i];}
}

三、实验结果

为了验证函数的准确性,我们编写了下面的测试代码,同时给出了标准测试向量和运行结果,如下图所示。

int main(void) {uint32_t plain[4] = {0x01234567, 0x89abcdef, 0xfedcba98, 0x76543210};uint32_t key[4] = {0x01234567, 0x89abcdef, 0xfedcba98, 0x76543210};uint32_t expect_cipher[4] = {0x681edf34, 0xd206965e, 0x86b3e94f, 0x536e4246};uint32_t cipher[4] = {0};uint32_t round_key[32] = {0};printf("plain: ");for (int i = 0; i < 4; i++)printf("%08x ", plain[i]);printf("\n");printf("key: ");for (int i = 0; i < 4; i++)printf("%08x ", key[i]);printf("\n");key_expansion(key, round_key);encrypt(plain, round_key, cipher);uint8_t pass = 1;printf("cipher: ");for (int i = 0; i < 4; i++) {printf("%08x ", cipher[i]);if (cipher[i] != expect_cipher[i]) pass = 0;}printf("\n");if (pass) printf("[PASS] Result matches expected value.\n");else printf("[FAIL] Mismatch with expected value.\n");return 0;
}

测试代码使用标准测试向量验证SM4实现的正确性。main函数中定义了明文{0x01234567, 0x89abcdef, 0xfedcba98, 0x76543210}和相同值的密钥,预期密文为{0x681edf34, 0xd206965e, 0x86b3e94f, 0x536e4246}。程序首先打印输入明文和密钥,然后执行密钥扩展和加密操作,输出得到的密文并与预期值比较。测试结果显示实现正确,输出密文与标准测试向量完全一致,验证了代码的正确性。

四、总结

本文详细介绍了中国商用密码标准SM4的算法原理、C语言实现及验证过程。SM4作为我国自主设计的分组密码算法,通过32轮非线性迭代和精心设计的密钥扩展机制实现高安全性。文中提供的C语言实现采用模块化设计,包含基础运算组件、密钥扩展和加密核心函数,代码结构清晰且高效。测试结果表明该实现完全符合算法规范,能够正确完成加密功能。SM4算法及其实现不仅具有重要的理论价值,也在金融、政务等领域的实际应用中发挥着关键作用,是我国密码技术自主创新的重要成果。

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