密碼學 - SM4 加密演算法

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SM4 方法是第一個商業化的分組密碼演算法，由中國於 2006 年以 SMS4 的名稱釋出。SM4 方法用於中國無線區域網 WAPI（有線認證和隱私基礎設施）的國家標準。WAPI 成為中國的強制性國家標準。

從安全性和通訊效能的角度來看，WAPI 是通訊基礎設施的絕佳解決方案。本工作在乙太網加密系統中使用 SM4 演算法。

SM4 的結構

SM4 演算法表示標準的 Feistel 結構。SM4 演算法的輸入、輸出和金鑰均為 128 位。它們被分成四個部分，每個部分有 32 位，稱為字。SM4 演算法包含 32 輪相同的輪函式。加密和解密的結構相同。唯一執行的操作是異或、迴圈移位和 S 盒應用。用於解密的金鑰與用於加密的金鑰相同，但順序相反。

SM4 方法易於在軟體和硬體中實現。它還具有廣泛的應用。

一個新的使用 SM4 作為基本演算法的 f8 金鑰流生成器可以安全地用於 3G 通訊系統。SM4 演算法在 MicroBlaze 軟核的嵌入式處理器中以硬體和軟體的方式共同設計，以便在設計加密通訊裝置時提供靈活性。SMS4 演算法還在 Java 卡上進行了設計和實現。

金鑰和金鑰引數

加密金鑰長度為 128 位，表示為 MK=(MK₀, MK₁, MK₂, MK₃)，其中 MK_i(i=0, 1, 2, 3)} 是一個 32 位字。輪金鑰表示為 (rk₀, rk₁,...., rk₃₁)，其中每個 rk_i (i=0,..., 31)} 表示一個字。它是使用加密金鑰和以下引數生成的：

• FK=(FK₀, FK₁, FK₂, FK₃)
• CK=(CK₀, CK₁,..., CK₃₁)

FK_i 和 CK_i 是用於生成輪金鑰的字。

輪函式

每個輪函式都基於前四個輪輸出計算。X_i,X_i+1,X_i+2,X_i+3 使得：

X_i+4 = X_i⊕ F(X_i+1oplus X_{i + 2}⊕ X_{i + 3}⊕ rk_i)，其中 F 是一個由非線性變換、S 盒和線性變換 L 組成的替換函式。

S 盒

S 盒對於 8 位輸入和輸出是固定的，表示為 Sbox()。與 AES 一樣，S 盒使用 GF(28) 上的乘法逆元。仿射變換和多項式基與 AES 不同，但是由於仿射同構，它們可以使用 AES Rijndael S 盒快速計算。

它是如何工作的？

SM4 演算法對資料進行混淆，使其在沒有特殊金鑰的情況下無法理解。它使用 128 位塊進行操作，用於混淆和解混淆資料的金鑰也是 128 位。這些塊和金鑰被分成四個部分，每個部分有 32 位。

該方法透過在 32 個迴圈中混合和修改位來混淆資訊。這個過程對於混淆和解混淆都是相同的，但是解混淆的階段順序不同。

該方法只執行三件事：使用 XOR（類似於數字“或”運算）組合位、迴圈移位位以及使用稱為 S 盒的特定函式。

以下是一些關鍵術語：

• 字和位元組 - 它們只是用於描述位簇的術語。
• S 盒 - 它類似於秘密程式碼，將一組位轉換為另一組位。
• 基本操作 - 這些是演算法的核心函式，例如組合和移動位。

混淆金鑰或 MK 由四個部分組成。另一種型別的金鑰，稱為輪金鑰，由 MK 生成並在整個混淆過程中使用。這些金鑰有助於混合位。

輪函式是演算法的主要組成部分。它一次混淆 32 位，在每一輪中都使用金鑰。

混淆資訊後，我們可以反轉該過程以對其進行解混淆。

以下是其工作原理的簡要說明：

• 我們從明文（我們要保護的資訊）開始。
• 我們將其分成 128 位的塊。
• 我們使用金鑰和幾種其他方法對每個塊進行 32 次混淆。
• 我們得到混淆後的文字作為輸出。
• 要讀取文字，我們使用相同的步驟，但順序相反。

示例

假設我們有一個簡單的訊息，我們想用 SM4 方法對其進行加密。訊息是“HELLO”，金鑰是“KEY1234567890123”。以下是使用 SM4 加密它的方法。

將訊息和金鑰轉換為二進位制：

HELLO 變為

O

Y

將訊息和金鑰分成塊：

訊息塊（128 位）：

塊 1：01001000 01000101 01001100

塊 2：01001111（用零填充以生成 128 位）

• 每個金鑰塊包含 128 位。
• 塊 1：01001011 01000101 01011001 00110001。
• 塊 2：00110010 00110011 00110100 00110101。
• 塊 3：00110110 00110111 00111000 00111001。

塊 4：00110000 00110001, 00110010, 00110011。

加密每個塊 - 使用從金鑰塊接收的輪金鑰對每個訊息塊應用加密過程。

組合加密塊 - 組合加密塊以形成最終的加密訊息。