一文读懂SM4
一文读懂MD4
❝SM4（原名SMS4）是中华人民共和国政府采用的一种分组密码标准，由国家密码管理局于2012年3月21日发布，相关标准为“GM/T 0002-2012《SM4分组密码算法》（原SMS4分组密码算法）”。2016年8月，成为中国国家密码标准（GB/T 32907-2016）。
❞
填一个之前的坑，来写一篇文章谈一下SM4算法，这个是分组密码的一种，具体连接模式之类的同样等单独的一篇文章来吧，如果不做特殊说明，本文的连接模式均为ECB(「此模式仅供学习使用，已不再安全，生产环境请勿使用该模式」)。
算法结构
SM4密码算法是一个分组密码算法，分组长度为128比特，密钥长度为128比特，加密算法和密钥扩展算法均采用了32轮非线性迭代结构。由于是对称密码，因此数据解密和数据加密的算法结构相同，轮密钥使用顺序相反。
密钥扩展算法
密钥扩展算法
这一步的密钥扩展算法，通过下面的公式进行运算:
其中，FK的取值如下:
FK0 = A3B1BAC6 FK1 = 56AA3350 FK2 = 677D9197 FK3 = B27022DC
CK的取值如下，这里直接贴出来了，就不计算了。
static CK: [u32; 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, ];
加密算法
这个加密算法相比于AES来说，结构要简单许多，只包括32次的迭代运算和1次的反序变换。对于SM4来说，输入和输出都是128bit。
加密轮结构
上图展示了加密的结构图，看图中的描述比较清晰，我就不再用语言描述一遍了。
解密算法
本算法的解密变换和加密变换的结构相同，不同的仅仅是轮米哟啊的使用顺序，解密的时候是倒着用的轮密钥，就不在这里过多赘述了。
总结
总的来说SM4的结构是非常清晰的，也没有特别难以理解的结构(相对于AES)来说，本人水平有限，在解释上难免会出现有些不恰当的地方，欢迎各位读者批评指出，将不尽感激。
代码实现
下面代码仅仅是简单的实现，仅供学习和参考使用，生产环境还是建议使用标准库，并且不要采用ECB模式。
use std::convert::TryInto; static SBOX: [u8; 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, ]; static FK: [u32; 4] = [0xa3b1bac6, 0x56aa3350, 0x677d9197, 0xb27022dc]; static CK: [u32; 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, ]; fn u8to32(p: &[u8; 4]) -> u32 { return ((p[0] as u32) << 24 | ((p[1] as u32) << 16) | ((p[2] as u32) << 8) | (p[3] as u32) << 0) as u32; } fn u32to8(p: u32) -> [u8; 4] { return [(p >> 24) as u8, (p >> 16) as u8, (p >> 8) as u8, (p >> 0) as u8]; } fn tau(word: u32) -> u32 { let bytes = u32to8(word); let mut result = [0u8; 4]; for i in 0..4 { result[i] = SBOX[bytes[i] as usize]; } return u8to32(&result); } fn l(b: u32) -> u32 { b ^ b.rotate_left(2) ^ b.rotate_left(10) ^ b.rotate_left(18) ^ b.rotate_left(24) } fn t(word: u32) -> u32 { l(tau(word)) } fn l_p(b: u32) -> u32 { b ^ b.rotate_left(13) ^ b.rotate_left(23) } fn t_p(word: u32) -> u32 { l_p(tau(word)) } pub struct SM4 { rk: Vec<u32>, } impl SM4 { pub fn new(key: [u8; 16]) -> SM4 { let mut cipher = SM4 { rk: Vec::new() }; let mut k: [u32; 4] = [0u32; 4]; for (i, v) in k.iter_mut().enumerate().take(4) { *v = u8to32(&key[(4 * i)..(4 * i + 4)].try_into().expect("")) ^ FK[i]; } for i in 0..8 { k[0] ^= t_p(k[1] ^ k[2] ^ k[3] ^ CK[i * 4]); k[1] ^= t_p(k[2] ^ k[3] ^ k[0] ^ CK[i * 4 + 1]); k[2] ^= t_p(k[3] ^ k[0] ^ k[1] ^ CK[i * 4 + 2]); k[3] ^= t_p(k[0] ^ k[1] ^ k[2] ^ CK[i * 4 + 3]); cipher.rk.push(k[0]); cipher.rk.push(k[1]); cipher.rk.push(k[2]); cipher.rk.push(k[3]); } cipher } pub fn encrypt_block(&self, bytes: &[u8; 16]) -> [u8; 16] { let mut result = [0u8; 16]; let mut x = [0u32; 4]; bytes.chunks(4) .map(|it| u8to32(it.try_into().expect(""))) .zip(x.iter_mut()).for_each(|(b, df)| *df = b); let rk = &self.rk; for i in 0..8 { x[0] ^= t(x[1] ^ x[2] ^ x[3] ^ rk[i * 4]); x[1] ^= t(x[2] ^ x[3] ^ x[0] ^ rk[i * 4 + 1]); x[2] ^= t(x[3] ^ x[0] ^ x[1] ^ rk[i * 4 + 2]); x[3] ^= t(x[0] ^ x[1] ^ x[2] ^ rk[i * 4 + 3]); } [x[3], x[2], x[1], x[0]].iter() .map(|it| u32to8(*it)) .flatten() .zip(result.iter_mut()) .for_each(|(b, df)| *df = b); return result; } pub fn encrypt(&mut self, bytes: &[u8]) -> Vec<u8> { bytes.chunks(16) .map(|block| self.encrypt_block(block.try_into().expect(""))) .flatten().collect::<Vec<_>>() } pub fn decrypt_block(&self, bytes: &[u8]) -> [u8; 16] { let mut result = [0u8; 16]; let mut x = [0u32; 4]; for (i, v) in x.iter_mut().enumerate().take(4) { *v = u8to32(&bytes[(4 * i)..(4 * i + 4)].try_into().expect("")); } let rk = &self.rk; for i in 0..8 { x[0] ^= t(x[1] ^ x[2] ^ x[3] ^ rk[31 - i * 4]); x[1] ^= t(x[2] ^ x[3] ^ x[0] ^ rk[31 - (i * 4 + 1)]); x[2] ^= t(x[3] ^ x[0] ^ x[1] ^ rk[31 - (i * 4 + 2)]); x[3] ^= t(x[0] ^ x[1] ^ x[2] ^ rk[31 - (i * 4 + 3)]); } [x[3], x[2], x[1], x[0]].iter() .map(|it| u32to8(*it)) .flatten() .zip(result.iter_mut()) .for_each(|(b, df)| *df = b); return result; } pub fn decrypt(&mut self, bytes: &[u8]) -> Vec<u8> { bytes.chunks(16) .map(|block| self.decrypt_block(block.try_into().expect(""))) .flatten().collect::<Vec<_>>() } } #[cfg(test)] mod test { use crate::sm4::{SM4, t, u8to32}; use std::convert::TryInto; #[test] fn test() { let mut sm4 = SM4::new("1234567890123456".as_bytes().try_into().expect("")); let result = sm4.encrypt("123456789012345612345678901234561234567890123456".as_bytes()); // [229, 151, 179, 190, 149, 248, 15, 5, 147, 192, 205, 89, 11, 238, 165, 139] println!("{:?}", result); let result = sm4.decrypt(&result); println!("{:?}", result); } }
