python实现sm4算法加解密及图形化界面
SM4密码算法是一个分组算法。数据分组长度为128比特，密钥长度为128比特。加密算法与密钥扩展算法都采用32轮迭代结构。SM4密码算法是以字节（8位）和字（32位）为单位进行数据处理。SM4密码算法是对合运算，因此加解密算法相同，只是轮密钥的使用顺序相反，解密轮密钥是加密轮密钥的逆序。
1.基本算法
SM4密码算法使用模2加和循环移位作为基本运算。
- 模2加：⨁，32位异或运算。
- 循环移位：<<
#两个8位16进制数，即32位2进制的异或运算
def yihuo_32(a0,a1):
A = []
ten_a0 = int(a0,16)#16进制转换为10进制
ten_a1 = int(a1, 16)
ten_bin_a0 = '{:032b}'.format(ten_a0)#10进制转换为32进制
ten_bin_a1 = '{:032b}'.format(ten_a1)
list_a0 = list(ten_bin_a0)
list_a1 = list(ten_bin_a1)
for i in range(32):#按位异或
a = int(list_a0[i])^int(list_a1[i])
A.append(a)
c_1 = [str(i) for i in A]#整数转换为字符串
c = ''.join(c_1)
c = int(c, 2)#二进制转换为10进制
c = '{:08x}'.format(c)#10进制转换为8位16进制，一定要规范位数
return c
2.基本密码部件
（1）S盒
SM4 的S盒是一种以字节为单位的非线性代替变换，其密码学的作用是起混淆作用。S盒的输入和输出都是８位的字节。它本质是８位的非线性置换。设输入字节为a，输出字节为b，则S盒的运算可以可表示为 b = S_box(a)
(2)非线性变换τ
SM4的非线性变换τ是一种以字为单位的非线性代替变换。它由四个S盒并置构成。本质上它是S盒的一种并行应用。
设输入字为 A=(a0，a1，a2，a3),输出字为 B=(b0，b1，b2，b3),则
B = τ(A) = (S_box(a0),S_box(a1),S_box(a2),S_box(a3)) 。
代码实现：
#s盒变换，一次处理一个字，共用4个S盒
#输入一个8位16进制的字符串，如'abcd1234'
def S_box(S_Input):
#将8位字符串分成4组
A = list(S_Input)
a = [0,0,0,0]
Out=[0,0,0,0]
a[0] = [A[0],A[1]]#a0=['a','b']
a[1] = [A[2],A[3]]
a[2] = [A[4],A[5]]
a[3] = [A[6],A[7]]
#高位的16进制转换成10进制*16+低位的16进制转换成10进制
for j in range(4):
for i in range(2):
a[j][i] = int(a[j][i],16)
b = int(a[j][0]*16+a[j][1])
Out[j] = SboxTable[b]
for i in range(4):
Out[i]='{:02x}'.format(Out[i])
S_out = ''.join(Out)
return S_out
(3)线性变换部件L
线性变换部件L是以字为处理单位的线性变换部件,其输入输出都是32位的字。其密码学的作用是起扩散作用的。设L的输入为字B,输出为字C，则
C＝L(B) = B ⨁ (B<<<2) ⨁ (B<<<10) ⨁ (B<<<18) ⨁ (B<<<24)
代码实现
def xianxing_L(S_out,flag):#flag为1则处理轮函数，为0则是密钥扩展
B = list(S_out) #字符串转换为列表
for i in range(8):
B[i]=int(B[i],16) #16进制转换为10进制
B[i]='{:04b}'.format(B[i]) #10进制转换为4位2进制
B = B[0]+B[1]+B[2]+B[3]+B[4]+B[5]+B[6]+B[7] #最终转换为32位二进制字符串
B_2 = B[2:] + B[:2] #循环左移
B_10 = B[10:] + B[:10]
B_18 = B[18:] + B[:18]
B_24 = B[24:] + B[:24]
B_13 = B[13:] + B[:13]
B_23 = B[23:] + B[:23]
B = list(B)
if flag==1: #轮函数的线性变换L
for i in range(32):
B[i] = int(B[i])^int(B_2[i])^int(B_10[i])^int(B_18[i])^int(B_24[i])
else: #密钥扩展的线性变换L'
for i in range(32):
B[i] = int(B[i]) ^ int(B_13[i]) ^ int(B_23[i])
A = ['','','','','','','','']
for i in range(8):
for j in range(4):
a = str(B[4*i+j])
A[i] = A[i] + a
A[i] = int(A[i],2)
A[i] = '{:01x}'.format(A[i]) #转换为16进制
L_out = ''.join(A) #最终转换为8位16进制字符串
return L_out
(4)合成变换T
合成变换T由非线性变换τ和线性变换L复合而成,数据处理的单位是字。设输入为字X，则先对X进行非线性变换τ，再进行线性L变换。记为T(X)=L(τ(X))
由于合成变换T是非线性变换τ和线性变换L的复合,所以它综合起混淆和扩散的作用,从而可提高密码的安全性。
代码实现
def T(A,flag):#为1则论函数，为0则扩展密钥
S_out = S_box(A)
T_out = xianxing_L(S_out,flag)
return T_out
3.轮函数
SM4密码算法采用对基本轮函数进行迭代的结构。利用上述基本密码部件,便可构成轮函数。SM4密码算法是一种以字为处理单位的密码函数。
设轮函数F的输入为(X0，X1，X2，X3)，４个32位字,共128位。轮密钥为rk,rk也是一个32位的字。轮函数F的输出也是一个32位的字。轮函数F的运算式:
F(X0,X1,X2,X3,rk) =X0⨁T(X1⨁X2⨁X3⨁rk) =X0⨁L(τ(X1⨁X2⨁X3⨁rk))
简记B=(X1⨁X2⨁X3⨁rk)，则
F(X0,X1,X2,X3,rk)=X0⨁[S_box(B)]⨁[S_box(B)<<<2]⨁[S_box(B)<<<10]⨁[S_box(B)<<<18]⨁[S_box(B)<<<24]
代码实现
#参数应该都为8位16进制字符串
def lun_func(X0,X1,X2,X3,rk,flag):#为1则轮函数，为0则扩展密钥
x1 = yihuo_32(X1,X2)
x2 = yihuo_32(x1,X3)
x3 = yihuo_32(x2,rk)
T_out = T(x3,flag)
F_out = yihuo_32(T_out,X0)
return F_out
4.加密算法
SM4密码算法是一个分组密码。数据分组长度为128比特，密钥长度为128比特。加密算法采用32轮迭代结构，每轮使用一个轮密钥。
设输入明文为（X0，X1，X2，X3），四个字，共128位。输入轮密钥为rki,i=0,1,…31，共32个字。输出密文为(Y0,Y1,Y2,Y3)，四个字，128位。加密算法：
Xi+4= F(Xi，Xi+1，Xi+2，Xi+3，rki) = Xi⨁T(Xi+1⨁Xi+2⨁Xi+3⨁rki)，i=0，1，2，…31
为了与解密算法需要的顺序一致，同时也与人们的习惯顺序一致，在加密算法之后还需要一个反序R：
R(Y0,Y1,Y2,Y3) = (X35，X34，X33，X32)
SM4一次处理四个字，产生一个字的中间密文，这个中间密文与前三个字拼接在一起供下一次加密处理，共迭代加密处理32轮，最终产生四个字的密文。整个加密处理过程像一个宽度为四个字的窗口在滑动，加密处理一轮，窗口滑动一个字，窗口滑动32次，加密迭代结束。
5.解密算法
SM4密码算法是对合运算，因此解密算法与加密算法相同，只是轮密钥的使用顺序相反，解密轮密钥是加密轮密钥的逆序。
设输入密文为(Y0,Y1,Y2,Y3)，输入轮密钥为rki，i=31,30,…1,0，输出明文为
(M0,M1,M2,M3)，(Y0,Y1,Y2,Y3)=(X35，X34，X33，X32)。
为了便于对照，解密算法中仍然采用Xi表示密文。解密算法：
Xi= F(Xi+4，Xi+3，Xi+2，Xi+1，rki) = Xi+4⨁T(Xi+3⨁Xi+2⨁Xi+1⨁rki)，i=31，30，…1，0
反序处理：
R(M0，M1，M2，M3) = (X3，X2，X1，X0)
6.密钥扩展算法
SM4 密码算法使用128位的加密密钥，并采用32轮迭代加密结构，每一轮加密使用一个32位的轮密钥，共使用32个轮密钥。因此需要使用密钥扩展算法，从加密密钥产生出32个轮密钥。
（1）常数FK
在密钥扩展中使用如下的常数：
FK0=(A3B1BAC6)，FK1=(56AA3350)，FK2=(677D9197)，FK3=(B27022DC)
（2）固定参数CK
共使用32个固定参数Cki，Cki是一个字，其产生规则如下：
设cki为Cki的第j个字节(i=0,1,…31;j=0,1,2,3),即Cki=（cki,0，cki,1，cki,2，cki,3），则cki,j=(4i+j) * 7 (mod 256)
这32个固定参数如下：
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
（3）密钥扩展算法
设输入加密密钥为MK＝(MK0，MK1，MK2，MK3)，输出轮密钥为rki，i=0，1，2，…31，中间数据为Ki，i=0,1,…34,35。
密钥扩展算法：
- (K0，K1，K2，K3) = (MK0⨁FK0，MK1⨁FK1，MK2⨁FK2，MK3⨁FK3)
- For i =0,1,…30,31 Do
rki=Ki+4=Ki⨁T’(Ki+1⨁Ki+12⨁Ki+3⨁CKi)
说明：其中的T ’ 变换与加密算法轮函数中的T基本相同，只将其中的线性变换L修改为以下L ’ ：
L '（B）=B ⨁ (B<<<13) ⨁ (B<<<23)
代码实现
def extend_key(MK0,MK1,MK2,MK3):#'01234567','89abcdef','fedcba98','76543210'
K0 = yihuo_32(MK0,FK[0])
K1 = yihuo_32(MK1,FK[1])
K2 = yihuo_32(MK2,FK[2])
K3 = yihuo_32(MK3,FK[3])#'a292ffa1', 'df01febf', '99a12b0f', 'c42410cc'
K = [K0,K1,K2,K3]#S_box:'e25d48f6','b0903951','93f64305','bb912b1f'
rk = []#'8283cb69',S_box:'8ad24122'
for i in range(32):
a = lun_func(K[i],K[i+1],K[i+2],K[i+3],CK[i],flag=0)
K.append(a)
rk.append(a)
return rk
源码sm4.py
# -*- coding: utf-8 -*-
SboxTable = [
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,
]
FK = ['a3b1bac6', '56aa3350', '677d9197', 'b27022dc']
CK = [
'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'
]
#s盒变换，一次处理一个字，共用4个S盒
#输入一个8位16进制的字符串，如'abcd1234'
def S_box(S_Input):
#将8位字符串分成4组
A = list(S_Input)
a = [0,0,0,0]
Out=[0,0,0,0]
a[0] = [A[0],A[1]]#a0=['a','b']
a[1] = [A[2],A[3]]
a[2] = [A[4],A[5]]
a[3] = [A[6],A[7]]
#高位的16进制转换成10进制*16+低位的16进制转换成10进制
for j in range(4):
for i in range(2):
a[j][i] = int(a[j][i],16)
b = int(a[j][0]*16+a[j][1])
Out[j] = SboxTable[b]
for i in range(4):
Out[i]='{:02x}'.format(Out[i])
S_out = ''.join(Out)
return S_out
def xianxing_L(S_out,flag):#flag为1则处理论函数，为0则是密钥扩展
B = list(S_out)
for i in range(8):
B[i]=int(B[i],16)
B[i]='{:04b}'.format(B[i])
B = B[0]+B[1]+B[2]+B[3]+B[4]+B[5]+B[6]+B[7]
B_2 = B[2:] + B[:2]
B_10 = B[10:] + B[:10]
B_18 = B[18:] + B[:18]
B_24 = B[24:] + B[:24]
B_13 = B[13:] + B[:13]
B_23 = B[23:] + B[:23]
B = list(B)
if flag==1:
for i in range(32):
B[i] = int(B[i])^int(B_2[i])^int(B_10[i])^int(B_18[i])^int(B_24[i])
else:
for i in range(32):
B[i] = int(B[i]) ^ int(B_13[i]) ^ int(B_23[i])
A = ['','','','','','','','']
for i in range(8):
for j in range(4):
a = str(B[4*i+j])
A[i] = A[i] + a
A[i] = int(A[i],2)
A[i] = '{:01x}'.format(A[i])
L_out = ''.join(A)
return L_out
def T(A,flag):#为1则论函数，为0则扩展密钥
S_out = S_box(A)
T_out = xianxing_L(S_out,flag)
return T_out
#参数应该都为8位16进制字符串
def lun_func(X0,X1,X2,X3,rk,flag):#为1则论函数，为0则扩展密钥
x1 = yihuo_32(X1,X2)
x2 = yihuo_32(x1,X3)
x3 = yihuo_32(x2,rk)
T_out = T(x3,flag)
F_out = yihuo_32(T_out,X0)
return F_out
#两个8位16进制数，即32位2进制的异或运算
def yihuo_32(a0,a1):
A = []
ten_a0 = int(a0,16)#16进制转换为10进制
ten_a1 = int(a1, 16)
ten_bin_a0 = '{:032b}'.format(ten_a0)#10进制转换为32进制
ten_bin_a1 = '{:032b}'.format(ten_a1)
list_a0 = list(ten_bin_a0)
list_a1 = list(ten_bin_a1)
for i in range(32):#按位异或
a = int(list_a0[i])^int(list_a1[i])
A.append(a)
c_1 = [str(i) for i in A]
c = ''.join(c_1)
c = int(c, 2)#二进制转换为10进制
c = '{:08x}'.format(c)#10进制转换为8位16进制，一定要规范位数
return c
def extend_key(MK0,MK1,MK2,MK3):#'01234567','89abcdef','fedcba98','76543210'
K0 = yihuo_32(MK0,FK[0])
K1 = yihuo_32(MK1,FK[1])
K2 = yihuo_32(MK2,FK[2])
K3 = yihuo_32(MK3,FK[3])#'a292ffa1', 'df01febf', '99a12b0f', 'c42410cc'
K = [K0,K1,K2,K3]#S_box:'e25d48f6','b0903951','93f64305','bb912b1f'
rk = []#'8283cb69',S_box:'8ad24122'
for i in range(32):
a = lun_func(K[i],K[i+1],K[i+2],K[i+3],CK[i],flag=0)
K.append(a)
rk.append(a)
return rk
def encrypt(MK0,MK1,MK2,MK3,X0,X1,X2,X3,en_de):#en_de为1则加密，X是明密文
rk = extend_key(MK0,MK1,MK2,MK3)#生成扩展密钥
X = [X0,X1,X2,X3]
for i in range(32):
if en_de==1:
x = lun_func(X[i], X[i+1], X[i+2], X[i+3], rk[i], flag=1)
else:
x = lun_func(X[i], X[i + 1], X[i + 2], X[i + 3], rk[31-i], flag=1)
X.append(x)
Y = [0,0,0,0]
for i in range(4):
Y[i] = X[35-i]
return Y
print(encrypt('01234567','89abcdef','fedcba98','76543210','01234567','89abcdef','fedcba98','76543210',1))
#密文['681edf34', 'd206965e', '86b3e94f', '536e4246']
#明文/密钥'01234567', '89abcdef', 'fedcba98', '76543210'
加密结果：
若要实现图形化界面，可参考前几篇博客的tkinter_.py
https://blog.csdn.net/qq_43710705/article/details/103810799
https://blog.csdn.net/qq_43710705/article/details/103818256
有错请指出，谢谢。