SM4算法设计原理

SM4分组密码算法描述：

SM4分组密码算法是一个迭代分组密码算法，由加解密算法和密钥扩展算法组成。SM4分组密码算法采用非平衡Feistel结构，分组长度为128b密钥长度为128b。加密算法与密钥扩展算法均采用非线性迭代结构。加密运算和解密运算的算法结构相同，解密运算的轮密钥的使用顺序与加密运算相反。

密钥及密钥参量：

SM4分组密码算法的加密密钥长度为128b，表示为MK=(MK0,MK1,MK2,MK3)，其中MKi(i=1,2,3)为32b。

轮密钥表示为(rk0,rk1,···,rk31)，其中rki(i=0,1,···，31)为32b。轮密钥由加密密钥生成。

FK=(FK1,FK2,FK3,FK4)为系统参数，CK=(CK0,CK1,···,CK31)为固定参数，用于密钥扩展算法，其中FKi(i=0,1,···，3)，CKi(i=0,1,···，31)均为32b。

加密算法

SM4加密算法由32次迭代运算和1次反序变换R组成

设明文输入为(X0,X1,X2,X3)∈(Z232)4，密文输出为(Y0,Y1,Y2,Y3)∈(Z232)4,轮密钥为rki∈Z232，i=0,1,···，31。加密算法的运算过程如下。

（1）首先执行32次迭代运算：

Xi+4=F(Xi,Xi+1,Xi+2,Xi+3,rki)=Xi XOR T(Xi XOR Xi+1 XOR Xi+2 XOR Xi+3 XOR rki),i=0,1,···31

（2）对最后一轮数据进行反序变换并得到密文输出：

 (Y0,Y1,Y2,Y3)=R(X32,X33,X34,X35)=(X35,X34,X33,X32)。

其中，T：Z232→Z232一个可逆变换，由非线性变换τ和线性变换L复合而成，即T(·)=L(τ(·))。

非线性变换τ由4个并行的S盒构成。设输入为A=(a0,a1,a2,a3)∈(Z28)4，非线性变换τ的输出为B=(b0,b1,b2,b3)∈(Z28)4，即：

(b0,b1,b2,b3)=τ(A)=(Sbox(a0),Sbox(a1),Sbox(a2),Sbox(a3))。

设S盒的输入为EF，则经S盒运算的输出结果结果为第E行、第F列的值，即Sbox(EF)=0x84。

L是线性变换，非线性变换τ的输出是线性变换L的输入。设输入为B∈Z232，则：

C=L(B)=B XOR (B<<<2) XOR (B<<<10) XOR (B<<<18) XOR (B<<<24)。

解密算法：

本算法的解密变换与加密变换结构相同，不同的仅是轮密钥的使用顺序，解密时使用轮密钥序(rk31,rk30,···,rk0)。

密钥扩展算法：

本算法轮密钥由加密密钥通过密钥扩展算法生成。设加密密钥为MK，MK=(MK0,MK1,MK2,MK3)∈(Z232)4。

轮密钥生成方法为rki=Ki XOR T’(Ki+1 XOR Ki+2 XOR Ki+3 XOR CKi)，(i=0,1,2,···,31)，其中：

K0=MK0 XOR FK0；

K1=MK1 XOR FK1；

K2=MK2 XOR FK2；

K3=MK3 XOR FK3。

（1）T’是将3.2.2节中合成置换T的线性变换L替换为L’：

                              L’(B)=B XOR (B<<<13) XOR (B<<<23)。

（2）系统参数FK的取值为

FK0=(A2B1BAC6)；

FK1=(56AA3350)；

FK2=(677D9197)；

FK3=(B27022DC)。

（3）固定参数CK取值方法为：

设cki,j为CKi的第j字节(i=0,1,···,31;j=0,1,2,3)，即CKi=(cki,0,cki,1,cki,2,cki,3)∈(Z28)4，则cki,j=(4i+j)×7(mod 256)。

固定参数CKi(i=0,1,2,···,31)的具体值为：

00070E15，1C232A31，383F464D，545B6269，

70777E85，8C939AA1，A8AFB6BD，C4CBD2D9，

E0E7EEF5，FC030A11，181F262D，343B4249，

50575E65，6C737A81，888F969D，A4ABB2B9，

C0C7CED5，DCE3EAF1，F8FF060D，141B2229，

30373E45,，4C535A61，686F767D，848B9299，

A0A7AEB5，BCC3CAD1，D8DFE6ED，F4FB0209，

10171E25，2C333A41，484F565D，646B7279。