SM4算法介绍与代码实现

本文最后更新于：2023年12月17日下午

SM4算法介绍

加密过程

SM4加密过程

首先左侧描述了SM4加密的整体流程：

输入的一个消息分组为128bits，划分成4个小块，每个小块32bits
这四个小块经过32轮加密处理
加密处理后，再经过一次Permutation置换，得到最终加密结果

右侧描述其中一轮的加密过程，其他轮函数加密过程是类似的，只是轮密钥不同：

X_3 先后跟 X_2 、X_1 进行异或 —— ①
① 得到的结果再与轮密钥 RK_i 进行异或 —— ②
② 得到的记过为32bits，再分成4组8bits，每一组8bits 使用相同的S-Box进行替换，得到新的8bits —— ③
③ 得到的4组8bits重新拼接得到32bits，将这32bits复制成5份输入，第1份循环左移2位，第2份循环左移10位，第3份循环左移18位，第4份循环左移24位，第5份不改动直接输出 —— ④
④ 的得到的5份输出的32bits与X_0 一起进行异或 —— ⑤
最终得到输出 X’_3 就是 ⑤ 的输出，其他输出X’_0 = X_1 ， X’_1 = X_2， X’_2 = X_3

用公式进行描述如下所示，其中S代表使用S-box进行替换，L表示线性函数执行循环左移的操作

$$
X’_0 = X_1 \
X’_1 = X_2 \
X’_2 = X_3
$$

$$
X’_3 =X_0⊕ L( S (X_3 ⊕ X_2 ⊕ X_1 ⊕ RK_i))
$$
$$
A=(a_0,a_1,a_2,a_3), B=(b_0,b_1,b_2,b_3) \ (b_0,b_1,b_2,b_3) = S(A)= (Sbox(a_0),Sbox(a_1),Sbox(a_2),Sbox(a_3))
$$
$$
B=(b_0,b_1,b_2,b_3), C (32bits) \ C = L(B) = B ⊕ (B<<2) ⊕(B<<10) ⊕(B<<18)⊕(B<<24)
$$

通过观察SM4加密过程可以看到，在一轮加密中，有3个输出完全等同于3个输入，只有一个输出需要经过一些复杂操作，即计算X'_3，所以在进行解密时，只需要计算原来的X_0，而这可以通过现有的输出得到的（具体操作见下面的解密过程）。

解密过程

在了解了SM4一轮的加密过程后，不难得出一轮的解密过程，如下图所示

SM4解密过程

同样左侧描述了SM4解密的整体流程：

输入的一个密文C为128bits，划分成4个小块，每个小块32bits
对这四个小块经过一次Permutation置换
对置换结果进行32轮类似的解密处理，得到最终的明文输出

具体描述一轮的解密过程，进行32轮类似的解密操作，其中X’_0对应加密过程中的输入X_1，X’_1对应输入X_2，X’_2对应输入X_3，所以重点计算得到原来输入的X_0，下面直接用公式来表示计算过程

$$
X_1 = X’_0 \qquad X_2 = X’_1 \qquad X_3 = X’_2
$$

$$
X_0 =X’_3⊕ L( S (X’_2 ⊕ X’_1 ⊕ X’_0 ⊕ RK_i))
$$

其中L线性函数跟S-box置换都跟加密过程中一致；但需要注意的是解密过程中，轮密钥的使用次序是（31, 30, …, 1,0），跟加密过程使用的轮密钥次序正好是相反的

轮密钥生成

轮密钥生成过程如上图所示，其中K代表的是16字节的密钥，公式里的S用的和加密过程中相同的Sbox

C++实现SM4加密与解密

实现目标

使用C++实现SM4算法的加密和结果，实现包括ECB、CBC两种加密模式。并提供命令⾏接⼝对⼆进制⽂件进⾏加/解密。
实现对png图像文件的加密，只对图像数据部分进行加密，使得对加密png文件后仍能以png格式打开

命令行格式说明

生成的二进制可执行文件为 AppliedCryptography，共有以下几种可选配置
- -enc：进行加密操作
- -dec：进行解密操作
- -mode：指定加密/解密操作，其后跟着ecb或者cbc（如果没有指定，默认为ecb模式）
- -png：指定输入和输出文件为png格式（对png文件做特殊处理，只加密数据块部分）；如果指定了，请保证文件的后缀名以.png格式结尾
- -in：输入文件的路径，请使用相对路径
- -out：输出文件的路径，请使用相对路径
- -key：指定密钥，默认为”123456”
- -iv：指定初始化向量，默认为”123456”
- -test：如果指定了，执行测试函数

1. 配置的命令请用小写
2. 一些配置之后请紧跟对应的参数值
3. 输入和输出的路径请用相对路径

参考的测试命令如下

# 测试cbc模式加密png文件
./AppliedCryptography -enc -mode cbc -png -in logo.png -out test.png -iv 123456 -key 123456
./AppliedCryptography -dec -mode cbc -png -in test.png -out dec_test.png -iv 123456 -key 123456
# 测试ecb加密文件
./AppliedCryptography -enc -mode ecb -in test.txt -out ecb_test.txt -iv 123456 -key 123456
./AppliedCryptography -dec -mode ecb -in ecb_test.txt -out dec_test.txt -iv 123456 -key 123456

代码结构说明

首先说明进行代码目录的说明，如下图所示：

代码目录结构

项目使用CMake 构建，build目录是构建目录，build/output/bin下是对应可执行文件的输出目录，build/output/bin/test 目录下存放测试用的相关文件
Cmake-build-debug：使用CLion 编译构建时生成的目录
FirstWork：主要目录，sm4对应源代码是算法的具体实现；test对应的是测试相关方法，主要用于测试算法的正确性
hash-library：一个简单的第三方库，封装了hash操作和hex编码和解码等操作
util：其中util是一个工具类，主要封装了一些辅助函数
main.cpp：程序入口，主要实现了解析命令行参数，执行对应的操作

实现相关说明

在sm4.h和sm4.cpp中实现了SM4算法，具体实现逻辑只要是拆分成多个子函数
- L线性函数和Sbox替换函数实现
- 轮密钥生成
- SM4EncRound和SM4DecRound实现一轮的加密和解密
- Encryption和Decryption实现128bits输入的加密和解密
- EncFile和DecFile实现文件的加密和解密
- EncPNG和DecPNG实现对png格式文件的加密和解密
需要注意的是，png图片文件，有自己的固定格式，主要为头部8字节固定签名，加其他数据块的结构，所以解析时要得到真正的数据块（IDAT)，对这一部分进行加密，这样才能加密后依然能够以png方式打开，具体的PNG格式参考：PNG格式说明
测试函数主要有4个
- TestAll() ：进行所有测试
- TestEncDec()：测试SM4 单次加解密128bits
- TestEncDecFileECB()：测试SM4 加密和解密文件 ECB模式
- TestEncDecFileCBC()：测试SM4 加密和解密文件 CBC模式
- TestEncDecPNG()：测试SM4 加密和解密PNG图片