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[原创]加解密之国密算法SM4初识
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发表于: 2023-5-23 22:42
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加解密之国密算法SM4
国密算法是中国国家密码管理局发布的一系列密码算法标准，包括SM1、SM2、SM3、SM4、SM9等。
SM1: 这是一个分组密码算法，也就是块加密算法。这是中国自己的算法，但并未公开。它主要用于商用密码芯片、密码设备和密码产品等，目前主要在金融领域应用。
SM2: 这是一个基于椭圆曲线密码的公钥密码算法，包含了数字签名、密钥交换和公钥加密等多种算法。SM2的安全强度和效率均优于RSA算法和Diffie-Hellman算法。
SM3: 这是一个密码哈希函数，类似于MD5和SHA-1。SM3对于长度小于2^64的消息，经过填充和迭代压缩操作，可以产生一个256比特的消息摘要输出。由于其优秀的安全性和效率，SM3被广泛应用在数字签名、消息认证码生成等诸多场景。
SM4: 这是一个分组密码算法，也就是块加密算法，曾被称为SMS4。它是一个对称加密算法，密钥长度和分组长度都是128位。SM4被广泛用于无线局域网标准中的WAPI（无线局域网身份认证和密钥管理协议）。
SM9: 这是一种基于身份的密码体制，其中包含了身份基于签名、密钥协商和公钥加密等多种算法。SM9的优点是无需在通信双方之间预先分配和存储密钥，只需要使用对方的身份信息即可进行加密和签名。
这些算法被广泛应用于网络安全、数据加密、电子签名等领域，并在中国的多个行业和领域得到推广和应用。
学习目录
1. sm4算法流程
2. SM4算法实现
3. 其他杂识基础
sm4算法流程
SM4是中国自主研发的分组密码算法，采用分组密码的思路，每次处理一组固定长度的数据块。SM4用于无线局域网的国家标准，已经应用于WAPI（无线局域网身份验证与隐私协议）。
以下是SM4算法的主要流程：
密钥扩展（Key Expansion）： 输入128位密钥，通过一系列的处理（如非线性变换、线性变换和循环左移等），生成32个轮密钥。
初始变换（Initial Transformation）： 输入128位明文，进行初始置换，置换后的结果作为轮函数的输入。
轮函数（Round Function）： 轮函数是SM4的核心部分，每个轮函数由非线性变换（S盒置换）、线性变换和轮密钥加变换组成。轮函数迭代32次，每次的输入是上一轮的输出，并添加一个轮密钥。
逆初始变换（Inverse Initial Transformation）： 最后一轮的输出经过逆初始变换，得到128位的密文。
需要注意的是，SM4有两种模式：加密模式和解密模式。加密模式按照上述流程执行，解密模式基本相同，只是轮密钥的顺序相反。
此外，SM4也支持不同的加密模式，如ECB（电子密码本模式）、CBC（密码块链模式）、CFB（密码反馈模式）和OFB（输出反馈模式），在不同的应用场景下，可以选择适合的加密模式。
接下来，我们写一个cbc模式的sm4加解密算法。
SM4算法实现
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memcpy(k, key, sizeof(uint32_t) * 4); for (int i = 0; i < 32; ++i) { uint32_t temp = k[0] ^ SM4_SBOX(k[1] ^ k[2] ^ k[3] ^ SM4_ROUND_CONSTANTS[i]); k[0] = k[1]; k[1] = k[2]; k[2] = k[3]; k[3] = temp; rk[i] = temp; }}// Encryption//void sm4_encrypt(const uint32_t* rk, const uint8_t* input, uint8_t* output) {// uint32_t x[36];// memcpy(x, input, sizeof(uint32_t) * 4);//// for (int i = 0; i < 32; ++i) {// uint32_t t = x[i + 1] ^ x[i + 2] ^ x[i + 3] ^ rk[i];// uint32_t y = SM4_SBOX(t);// x[i + 4] = x[i] ^ SM4_LTRANSFORM(y);// }//// memcpy(output, x + 32, sizeof(uint32_t) * 4);//}void sm4_encrypt(const uint32_t* rk, const uint8_t* input, const uint8_t* iv, uint8_t* output) { uint32_t x[36]; for (int i = 0; i < 4; i++) { x[i] = (input[i * 4] << 24) | (input[i * 4 + 1] << 16) | (input[i * 4 + 2] << 8) | input[i * 4 + 3]; } // XOR with IV for (int i = 0; i < 4; ++i) { uint32_t iv_tmp = (iv[i * 4] << 24) | (iv[i * 4 + 1] << 16) | (iv[i * 4 + 2] << 8) | iv[i * 4 + 3]; x[i] ^= iv_tmp; } for (int i = 0; i < 32; ++i) { uint32_t t = x[i + 1] ^ x[i + 2] ^ x[i + 3] ^ rk[i]; uint32_t y = SM4_SBOX(t); x[i + 4] = x[i] ^ SM4_LTRANSFORM(y); } for (int i = 0; i < 4; i++) { output[i * 4] = (x[35 - i] >> 24) & 0xFF; output[i * 4 + 1] = (x[35 - i] >> 16) & 0xFF; output[i * 4 + 2] = (x[35 - i] >> 8) & 0xFF; output[i * 4 + 3] = x[35 - i] & 0xFF; }}void sm4_decrypt(const uint32_t* rk, const uint8_t* input, const uint8_t* iv, uint8_t* output) { uint32_t x[36]; for (int i = 0; i < 4; i++) { x[i] = (input[i * 4] << 24) | (input[i * 4 + 1] << 16) | (input[i * 4 + 2] << 8) | input[i * 4 + 3]; } for (int i = 0; i < 32; ++i) { uint32_t t = x[i + 1] ^ x[i + 2] ^ x[i + 3] ^ rk[31 - i]; uint32_t y = SM4_SBOX(t); x[i + 4] = x[i] ^ SM4_LTRANSFORM(y); } // XOR with IV for (int i = 0; i < 4; ++i) { uint32_t iv_tmp = (iv[i * 4] << 24) | (iv[i * 4 + 1] << 16) | (iv[i * 4 + 2] << 8) | iv[i * 4 + 3]; x[35 - i] ^= iv_tmp; } for (int i = 0; i < 4; i++) { output[i * 4] = (x[35 - i] >> 24) & 0xFF; output[i * 4 + 1] = (x[35 - i] >> 16) & 0xFF; output[i * 4 + 2] = (x[35 - i] >> 8) & 0xFF; output[i * 4 + 3] = x[35 - i] & 0xFF; }}// Paddingvoid sm4_pad(uint8_t* data, size_t size) { size_t remainder = size % 16; size_t paddingSize = (remainder == 0) ? 16 : (16 - remainder); for (size_t i = 0; i < paddingSize; ++i) { data[size + i] = static_cast<uint8_t>(paddingSize); }}// Remove paddingvoid sm4_unpad(uint8_t* data, size_t size) { size_t paddingSize = static_cast<size_t>(data[size - 1]); if (paddingSize <= size) { for (size_t i = 0; i < paddingSize; ++i) { if (data[size - i - 1] != paddingSize) { return; } } memset(data + size - paddingSize, 0, paddingSize); }}int main() { // Test encryption and decryption std::string key = "0123456789ABCDEFFEDCBA9876543210"; uint8_t value = 0123456701234567; const uint8_t *iv = &value; std::string plaintext = "asd"; std::vector<uint8_t> encrypted(plaintext.size()); std::vector<uint8_t> decrypted(plaintext.size()); // Key expansion uint32_t rk[32]; sm4_key_schedule(reinterpret_cast<const uint8_t*>(key.data()), rk); // Encryption sm4_encrypt(rk, reinterpret_cast<const uint8_t*>(plaintext.data()),iv, encrypted.data()); __android_log_print(ANDROID_LOG_DEBUG, TAG, "明 文：%s",plaintext.data()); __android_log_print(ANDROID_LOG_DEBUG, TAG, "密 文：%s",encrypted.data()); // Decryption sm4_decrypt(rk, encrypted.data(), iv,decrypted.data()); __android_log_print(ANDROID_LOG_DEBUG, TAG, "解密明 文：%s",decrypted.data()); return 0;}extern "C" JNIEXPORT jstring JNICALLJava_com_yyf_sm_MainActivity_stringFromJNI( JNIEnv* env, jobject /* this */) { std::string hello = "Hello from C++"; int a= main(); std::cout << "Decrypted: " << a << std::endl; return env->NewStringUTF(hello.c_str());} |
随便在应用市场上找个APP下载，查看是否用了SM4的常量值。
其他杂识基础
与
"与"运算是一种二进制运算符，它接受两个等长的二进制数字，并为每一对相应的位执行"与"运算。在每一对位中，只有当两位都是1时，结果才是1。否则，结果是0。
例如，让我们来看看两个8位的二进制数的"与"运算：
1 2 3 4 | 10110101& 01101110----------- 00100100 |
这是如何工作的：
- 第一位：1 & 0 = 0
- 第二位：0 & 1 = 0
- 第三位：1 & 1 = 1
- 第四位：1 & 0 = 0
- 第五位：0 & 1 = 0
- 第六位：1 & 1 = 1
- 第七位：0 & 0 = 0
- 第八位：1 & 0 = 0
因此，10110101 & 01101110 = 00100100。
异或
异或（XOR）是一种二进制运算，用符号 "^" 表示。其操作规则如下：
0 ^ 0 = 0
1 ^ 0 = 1
0 ^ 1 = 1
1 ^ 1 = 0
异或运算有以下特性：
任何数与0异或，结果仍然是原来的数。
任何数与自己异或，结果是0。
举个例子，假设我们要进行以下的异或运算：
1011 (这是 11 的二进制形式)
^
0111 (这是 7 的二进制形式)
1100 (这是 12 的二进制形式)
我们按位进行异或运算，也就是说，我们比较每一位，如果两位相同，则结果为0，如果两位不同，则结果为1。这就是为什么我们得到了结果 1100，这是 12 的二进制形式。
再举一个更具体的例子，假设我们在编程中进行以下操作（在大多数编程语言中，符号 "^" 表示异或运算）：
uint32_t a = 0xA3B1BAC6;
uint32_t b = 0x56AA3350;
a = 0xA3B1BAC6 转换为二进制为: 10100011 10110001 10111010 11000110
b = 0x56AA3350 转换为二进制为: 01010110 10101010 00110011 01010000
接下来，我们将这两个二进制数进行异或运算，规则是：同一位上，两个数相同得0，两个数不同得1。进行异或运算后的结果如下：
11110101 00011110 10001000 10100110
uint32_t result = a ^ b; // result 的值现在是 0xF51E88A6
字节与字符
在C++中，std::string是一种序列容器，用于存储和操作字符串。std::string中的每个字符通常代表8位。这是因为std::string通常存储的是ASCII字符，而ASCII字符集是一个8位字符集。
在ARM64（也称为AArch64）平台上，C++的基本数据类型一般按以下方式分配字节：
char: 1字节 (8位)short: 2字节 (16位)int: 4字节 (32位)long: 8字节 (64位)long long: 8字节 (64位)float: 4字节 (32位)double: 8字节 (64位)long double: 16字节 (128位) — 注意，实际使用的精度可能小于16字节bool: 1字节 (8位)pointer(任何类型的指针): 8字节 (64位)
最好使用sizeof运算符计算大小。
ASCII字符集
ASCII（美国标准信息交换码）是一种字符编码标准，用于电子设备中的字符表示。ASCII使用指定的7位或8位来表示字符，但是通常我们使用的是扩展的版本，也就是8位的ASCII（有时候也叫做ASCII-256），因为8位的二进制数能够表示更多的字符。
基本的ASCII集合，也就是标准的ASCII，使用7位二进制数，可以表示128个不同的字符。这包括大小写英文字母（A-Z，a-z），数字（0-9），标点符号（比如，. , ; : ? !等等），一些特殊字符（比如，$ @ # % ^ & *等等），还有一些非打印字符（比如，换行符，退格符等）。
扩展的ASCII，或者称为8位ASCII，可以表示256个不同的字符，因为8位二进制数可以有256种不同的组合。扩展的ASCII包含了基本的ASCII集合，另外还增加了一些额外的特殊字符，比如版权符号，注册商标符号，货币符号等。
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