SM4加密算法原理和简单实现(java)

(一) SM4 算法介绍

下文引自百度百科
SM4.0(原名SM4.0)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SM4分组密码算法)”。

SM4 文档:http://www.gmbz.org.cn/main/viewfile/20180108015408199368.html

(二) SM4 算法流程

SM4 算法主要包含异或、移位以及盒变换操作。它分为密钥拓展和加/解密两个模块,这两个模块的流程大同小异
其中,移位变换是指循环左移;盒变换是一个将8bit输入映射到8bit输出的变换,是一个固定的变换
下图是 SM4 的加解密(左)和密钥拓展(右)的流程图

pic

(1) 加解密

  • 输入的明文为 128bit 的数据,将其按位拆分成 4 个 32bit 的数据 \(x_0,x_1,x_2,x_3\)
    \(i=0\) 时为第一次轮变换,一直进行到 \(i=31\) 结束
  • \(x_i\) 暂时不做处理,将 \(x_{i+1},x_{i+2},x_{i+3}\) 和轮密钥 \(rk_i\) 异或得到一个 32bit 的数据,作为盒变换的输入
    \(sbox\_input= x_{i+1} \oplus x_{i+2} \oplus x_{i+3} \oplus rk_i\)\(\oplus\) 符号代表异或运算
  • \(sbox\_input\) 拆分成 4 个 8bit 数据,分别进行盒变换,之后再将 4 个 8bit 输出合并成一个 32bit 的 \(sbox\_output\)
  • 将刚才获得的 \(sbox\_output\) 分别循环左移 2,10,18,24 位,得到 4 个 32bit 的结果,记移位结果为 \(y_2,y_{10},y_{18},y_{24}\)
  • 将移位的结果 \(y_2,y_{10},y_{18},y_{24}\) 与盒变换输出 \(sbox\_output\)\(x_i\) 异或,得到 \(x_{i+4}\)
    \(x_{i+4}=sbox\_output \oplus y_2 \oplus y_{10} \oplus y_{18} \oplus y_{24} \oplus x_i\)
  • 至此完成了一轮的加解密运算
    在实际加解密过程中,上述运算要执行 32 轮,同时使用 32 个不同的 \(rk_i\)\(rk_i\) 由密钥拓展生成
  • 最后将生成的最后 4 个 32bit 数据 \(x_{35},x_{34},x_{33},x_{32}\) 合并成一个 128bit 的数据 \(output\),作为最后的输出结果

(2) 密钥拓展

  • 密钥拓展的过程和加解密大同小异
  • 输入的原始密钥 \(key\) 为 128bit 的数据,将其按位拆分成 4 个 \(32\)bit 的数据 \(K_0,K_1,K_2,K_3\)
  • 将初始密钥 \(K_0,K_1,K_2,K_3\) 分别异或固定参数 \(FK_0,FK_1,FK_2,FK_3\) 得到用于循环的密钥 \(k_0,k_1,k_2,k_3\)
    \(k_0=K_0 \oplus FK_0, k_1=K_1 \oplus FK_1, k_2=K_2 \oplus FK_2, k_3=K_3 \oplus FK_3\)
  • 进入轮密钥 \(rk_i\) 的生成
    \(i=0\) 时为第一次轮变换,一直进行到 \(i=31\) 结束
  • \(k_i\) 暂时不做处理,将 \(k_{i+1},k_{i+2},k_{i+3}\) 和固定参数 \(CK_i\) 异或得到一个 32bit 的数据,作为盒变换的输入
    \(sbox\_input=k_{i+1} \oplus k_{i+2} \oplus k_{i+3} \oplus ck_i\)
  • \(sbox\_input\) 拆分成 4 个 8bit 数据,分别进行盒变换,之后再将 4 个 8bit 输出合并成一个 32bit 的 \(sbox\_output\)
  • 将刚才获得的 \(sbox\_output\) 分别循环左移 13,23 位,得到 2 个 32bit 的结果,记移位结果为 \(y_{13},y_{23}\)
  • 将移位的结果 \(y_{13},y_{23}\) 与盒变换输出 \(sbox\_output\)\(k_i\) 异或,得到 \(k_{i+4}\)
    \(rk_i=k_{i+4}=sbox\_output \oplus y_{13} \oplus y_{23} \oplus k_i\)
  • 至此完成了一轮的加解密运算
    在实际加解密过程中,上述运算要执行 32 轮,同时使用 32 个不同的 \(CK_i\)\(CK_i\) 为固定参数
  • 执行完 32 轮后,便可获得 32 个用于加解密的 \(rk_i\)

(3) SM4 的逆运算

上文介绍了 SM4 的加密和密钥拓展部分,如果想要实现解密,一个简单的方法是将轮密钥 \(rk_i\) 逆序后再执行一次 32 轮的加密运算
即将密文投入加密函数,并且第 0 轮使用 \(rk_{31}\) 作为轮密钥,第 i 轮使用 \(rk_{31-i}\) 作为轮密钥,最后获得的结果便是加密前的密文

3.1 SM4 加密流程

先观察一下 SM4 加密的结构

  • 令 SM4 的轮函数 \(F(x_i,x_{i+1},x_{i+2},x_{i+3},rk_i) = x_i \oplus T(x_{i+1} \oplus x_{i+2} \oplus x_{i+3} \oplus rk_i)\),其中函数 \(T\) 包括上述提到的盒变换和移位异或运算。那么 \(x_{i+4} = F(x_i,x_{i+1},x_{i+2},x_{i+3},rk_i)\)

  • 以最后一轮加密运算为例,\(x_{35} = x_{31} \oplus T(x_{32} \oplus x_{33} \oplus x_{34} \oplus rk_{31})\),得到的 4 个 32 bit 字为 \(x_{32},x_{33},x_{34},x_{35}\)。最后输出会将这 4 个字逆序,即输出 \(x_{35},x_{34},x_{33},x_{32}\)

3.2 SM4 解密流程

接下来看解密,记加密的明文为 \(x_0, x_1, x_2, x_3\),将加密算法最后输出结果 \(x_{35}, x_{34}, x_{33}, x_{32}\) 记为 \(x_0', x_1', x_2',x_3'\),并让 \(rk_i' = rk_{31-i}\) (也就是轮密钥逆序)

\(x_0', x_1', x_2',x_3'\)\(rk'_i\) 投入加密算法中,观察会发生什么结果

  • 对于第 0 轮生成的 \(x_4' = x_0' \oplus T(x_1' \oplus x_2' \oplus x_3' \oplus rk_0')\),我们知道 \(x_0' = x_{35}, x_1' = x_{34}, x_2' = x_{33}, x_3' = x_{32}\),故 \(x_4' = x_{35} \oplus T(x_{34} \oplus x_{33} \oplus x_{32} \oplus rk_{31}) = x_{31} \oplus T(\cdots) \oplus T(\cdots) = x_{31}\)
  • 类似的,我们可以得出 \(x_i' = x_{35-i}\),最后一轮函数结束后的结果为 \(x_3,x_2,x_1,x_0\),经过逆序后便是 \(x_0,x_1,x_2,x_3\),刚好是加密前的明文,完成了解密操作

通过 SM4 逆运算的过程,我们可以体会到 SM4 最后将结果逆序输出的巧妙之处

(三) SM4的java简单实现

需要注意的是,此处仅将 SM4 简单实现,而实际运用的时候,还需考虑各种工作模式(例如 OFB 或是 CFB)以及输入分组长度不是 128bit 的整数倍时需要添加的填充(例如 PKCS #7)。此处的代码仅用于展示 SM4 加解密过程的原理,输入的加密数据长度仅支持 128bit(长度为 16 的 byte 数组)

3.1 循环移位

在 java 中,移位操作符有 3 种,分别为 <<(左移),>>(算数右移)和 >>>(无符号右移)
其中,<< 是将 2 进制数整体左移一位,原先最高位舍弃,变为原先的次高位,最低位补 0
而 >> 是将 2 进制数整体右移一位,原先最低位舍弃,变为原先的次低位,最高位与原先最高位相同,效果类似于除 2
但 >>> 是将 2 进制数整体右移一位,原先最低位舍弃,变为原先的次低位,最高位补 0
在此我们使用的是 << 和 >>>
代码如下,非常简洁

    /* 将input左移n位 */
    private static int shift(int input, int n) {
        return (input >>> (32 - n)) | (input << n);
    }

3.2 将一个 32bit 数拆分成 4 个 8bit 数

    /* 将32比特数拆分成4个8比特数 */
    private static byte[] splitInt(int n) {
        return new byte[]{(byte) (n >>> 24), (byte) (n >>> 16), (byte) (n >>> 8), (byte) n};
    }

3.3 将 4 个 8bit 数合并为 1 个 32bit 数

此方法的是把 4 个 8bit 数合并为 1 个 32bit 数,输入 4 个 byte 类型,输出一个 int 类型
需要注意的是,因为 byte 类型存在符号位,对于 byte 的左移操作,倘若 byte 为负数,那么左移结果和我们想象的会不太一样。例如我们希望 0xFF 左移 8 位的结果为 0x0000FF00,但实际上结果却是 0xFFFFFF00

    byte b = (byte)0xFF;
    System.out.printf("%08x", b<<8);//0xffffff00

这是因为在 byte 类型左移时,会先转化成 int 类型,但由于符号位的原因,0xFF 会被转化成 0xFFFFFFFF(扩大的部分用符号位填充),导致结果与预期不同
为了抵消掉符号位的影响,我们可以先 上 0xFF。在进行 运算时,byte 类型同样会先转化成 int 类型,但我们只取其最低的 8 位,其余位置 0,便可抵消符号位的影响

    /* 将4个8比特数合并成32比特数 */
    private static int jointBytes(byte byte_0, byte byte_1, byte byte_2, byte byte_3) {
        return ((byte_0 & 0xFF) << 24) | ((byte_1 & 0xFF) << 16) | ((byte_2 & 0xFF) << 8) | (byte_3 & 0xFF);
    }

3.4 盒变换

S 盒实际上是一个 8 比特到 8 比特的映射。S 盒为 \(16 \times 16\) 的表格,输入的 8 比特数的前 4 比特确定行,后 4 比特确定列,行和列共同确定表格中的一项

下表是盒变换对应的表格(遇到表格显示不全时请缩放浏览器页面)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f
0 0xd6 0x90 0xe9 0xfe 0xcc 0xe1 0x3d 0xb7 0x16 0xb6 0x14 0xc2 0x28 0xfb 0x2c 0x05
1 0x2b 0x67 0x9a 0x76 0x2a 0xbe 0x04 0xc3 0xaa 0x44 0x13 0x26 0x49 0x86 0x06 0x99
2 0x9c 0x42 0x50 0xf4 0x91 0xef 0x98 0x7a 0x33 0x54 0x0b 0x43 0xed 0xcf 0xac 0x62
3 0xe4 0xb3 0x1c 0xa9 0xc9 0x08 0xe8 0x95 0x80 0xdf 0x94 0xfa 0x75 0x8f 0x3f 0xa6
4 0x47 0x07 0xa7 0xfc 0xf3 0x73 0x17 0xba 0x83 0x59 0x3c 0x19 0xe6 0x85 0x4f 0xa8
5 0x68 0x6b 0x81 0xb2 0x71 0x64 0xda 0x8b 0xf8 0xeb 0x0f 0x4b 0x70 0x56 0x9d 0x35
6 0x1e 0x24 0x0e 0x5e 0x63 0x58 0xd1 0xa2 0x25 0x22 0x7c 0x3b 0x01 0x21 0x78 0x87
7 0xd4 0x00 0x46 0x57 0x9f 0xd3 0x27 0x52 0x4c 0x36 0x02 0xe7 0xa0 0xc4 0xc8 0x9e
8 0xea 0xbf 0x8a 0xd2 0x40 0xc7 0x38 0xb5 0xa3 0xf7 0xf2 0xce 0xf9 0x61 0x15 0xa1
9 0xe0 0xae 0x5d 0xa4 0x9b 0x34 0x1a 0x55 0xad 0x93 0x32 0x30 0xf5 0x8c 0xb1 0xe3
a 0x1d 0xf6 0xe2 0x2e 0x82 0x66 0xca 0x60 0xc0 0x29 0x23 0xab 0x0d 0x53 0x4e 0x6f
b 0xd5 0xdb 0x37 0x45 0xde 0xfd 0x8e 0x2f 0x03 0xff 0x6a 0x72 0x6d 0x6c 0x5b 0x51
c 0x8d 0x1b 0xaf 0x92 0xbb 0xdd 0xbc 0x7f 0x11 0xd9 0x5c 0x41 0x1f 0x10 0x5a 0xd8
d 0x0a 0xc1 0x31 0x88 0xa5 0xcd 0x7b 0xbd 0x2d 0x74 0xd0 0x12 0xb8 0xe5 0xb4 0xb0
e 0x89 0x69 0x97 0x4a 0x0c 0x96 0x77 0x7e 0x65 0xb9 0xf1 0x09 0xc5 0x6e 0xc6 0x84
f 0x18 0xf0 0x7d 0xec 0x3a 0xdc 0x4d 0x20 0x79 0xee 0x5f 0x3e 0xd7 0xcb 0x39 0x48
  • 例如 sbox(13)=0x76

实际上,我们并不需要特地将 S盒 设置成 \(16 \times 16\) 的二维数组,可以直接设置成长度为 \(256\) 的一维数组,就不需要拆分 8 比特确定行和列了

    /* S盒变换 */
    private static int sBox(int box_input) {
        //s盒的参数
        final int[] SBOX = {
                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
        };

        byte[] temp = splitInt(box_input);//拆分32比特数
        byte[] output = new byte[4];//单个盒变换输出
        //盒变换
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            output[i] = (byte) SBOX[temp[i] & 0xFF];
        }
        //将4个8位字节合并为一个字作为盒变换输出
        return jointBytes(output[0], output[1], output[2], output[3]);
    }

3.5 加解密主函数

这个函数输入的是 byte 数组,输出也是 byte 数组。byte 只有 8 位,而加解密过程我们是以 32bit,即 int 类型为单位运算的,故先要把 byte 数组合并成 int 数组
最后函数输出的是 byte 类型数组,同样的,需要把最后 int 类型的结果转化成 byte

    /* 加解密主模块 */
    private static byte[] sm4Main(byte[] input, int[] key_r, int mod) {
        int[] text = new int[4];//32比特字
        //将输入以32比特分组
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            text[i] = jointBytes(input[4 * i], input[4 * i + 1], input[4 * i + 2], input[4 * i + 3]);
        }
        int box_input, box_output;//盒变换输入和输出
        for (int i = 0; i < 32; i++) {
            int index = (mod == 0) ? i : (31 - i);//通过改变key_r的顺序改变模式
            box_input = text[1] ^ text[2] ^ text[3] ^ key_r[index];
            box_output = sBox(box_input);
            int temp = text[0] ^ box_output ^ shift(box_output, 2) ^ shift(box_output, 10) ^ shift(box_output, 18) ^ shift(box_output, 24);
            text[0] = text[1];
            text[1] = text[2];
            text[2] = text[3];
            text[3] = temp;
        }
        byte[] output = new byte[16];//输出
        //将结果的32比特字逆序拆分
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            System.arraycopy(splitInt(text[3 - i]), 0, output, 4 * i, 4);
        }
        return output;
    }

(四) 完整代码

public class SM4 {
    int[] key_r;

    /* 初始化轮密钥 */
    SM4(byte[] key) {
        this.key_r = keyGenerate(key);
    }

    /* 密钥拓展 */
    private int[] keyGenerate(byte[] key) {
        int[] key_r = new int[32];//轮密钥rk_i
        int[] key_temp = new int[4];
        int box_in, box_out;//盒变换输入输出
        final int[] FK = {0xa3b1bac6, 0x56aa3350, 0x677d9197, 0xb27022dc};
        final int[] CK = {
                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
        };
        //将输入的密钥每32比特合并,并异或FK
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            key_temp[i] = jointBytes(key[4 * i], key[4 * i + 1], key[4 * i + 2], key[4 * i + 3]);
            key_temp[i] = key_temp[i] ^ FK[i];
        }
        //32轮密钥拓展
        for (int i = 0; i < 32; i++) {
            box_in = key_temp[1] ^ key_temp[2] ^ key_temp[3] ^ CK[i];
            box_out = sBox(box_in);
            key_r[i] = key_temp[0] ^ box_out ^ shift(box_out, 13) ^ shift(box_out, 23);
            key_temp[0] = key_temp[1];
            key_temp[1] = key_temp[2];
            key_temp[2] = key_temp[3];
            key_temp[3] = key_r[i];
        }
        return key_r;
    }

    /* 加解密主模块 */
    private static byte[] sm4Main(byte[] input, int[] key_r, int mod) {
        int[] text = new int[4];//32比特字
        //将输入以32比特分组
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            text[i] = jointBytes(input[4 * i], input[4 * i + 1], input[4 * i + 2], input[4 * i + 3]);
        }
        int box_input, box_output;//盒变换输入和输出
        for (int i = 0; i < 32; i++) {
            int index = (mod == 0) ? i : (31 - i);//通过改变key_r的顺序改变模式
            box_input = text[1] ^ text[2] ^ text[3] ^ key_r[index];
            box_output = sBox(box_input);
            int temp = text[0] ^ box_output ^ shift(box_output, 2) ^ shift(box_output, 10) ^ shift(box_output, 18) ^ shift(box_output, 24);
            text[0] = text[1];
            text[1] = text[2];
            text[2] = text[3];
            text[3] = temp;
        }
        byte[] output = new byte[16];//输出
        //将结果的32比特字拆分
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            System.arraycopy(splitInt(text[3 - i]), 0, output, 4 * i, 4);
        }
        return output;
    }

    /* 加密 */
    public byte[] encrypt(byte[] plaintext) {
        return sm4Main(plaintext, key_r, 0);
    }

    /* 解密 */
    public byte[] decrypt(byte[] ciphertext) {
        return sm4Main(ciphertext, key_r, 1);
    }

    /* 将32比特数拆分成4个8比特数 */
    private static byte[] splitInt(int n) {
        return new byte[]{(byte) (n >>> 24), (byte) (n >>> 16), (byte) (n >>> 8), (byte) n};
    }

    /* 将4个8比特数合并成32比特数 */
    private static int jointBytes(byte byte_0, byte byte_1, byte byte_2, byte byte_3) {
        return ((byte_0 & 0xFF) << 24) | ((byte_1 & 0xFF) << 16) | ((byte_2 & 0xFF) << 8) | (byte_3 & 0xFF);
    }
    
    /* S盒变换 */
    private static int sBox(int box_input) {
        //s盒的参数
        final int[] SBOX = {
                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
        };

        byte[] temp = splitInt(box_input);//拆分32比特数
        byte[] output = new byte[4];//单个盒变换输出
        //盒变换
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            output[i] = (byte) SBOX[temp[i] & 0xFF];
        }
        //将4个8位字节合并为一个字作为盒变换输出
        return jointBytes(output[0], output[1], output[2], output[3]);
    }

    /* 将input左移n位 */
    private static int shift(int input, int n) {
        return (input >>> (32 - n)) | (input << n);
    }
}

(五) 代码正确性检验

为了验证自己实现的 SM4 代码是正确的,此处将加密结果与 Hutool 库的加密结果作比对,说明算法的正确性(SM4Test.javaSM4.java位于同一目录)

import cn.hutool.core.util.HexUtil;
import cn.hutool.crypto.SmUtil;
import cn.hutool.crypto.symmetric.SymmetricCrypto;

public class SM4Test {
    public static void main(String[] args) {
        // key必须是16位
        byte[] key = "1234567812345678".getBytes();//128bit(16byte)
        byte[] plaintext = "1234567812345678".getBytes();//128bit(16byte)

        SymmetricCrypto sm4 = SmUtil.sm4(key);
        byte[] ciphertext = sm4.encrypt(plaintext);//库加密结果
        System.out.println("库函数加密结果\t\t" + new String(HexUtil.encodeHex(ciphertext)));
        //e863652f50ad5ed9fcc038b25deb07101db94f833e5b4cf024c8f8d61d70d48c

        SM4 sm4_t = new SM4(key);
        byte[] ciphertext_t = sm4_t.encrypt(plaintext);//自己写的函数加密结果
        System.out.println("自己写的函数加密结果\t" + new String(HexUtil.encodeHex(ciphertext_t)));
        //e863652f50ad5ed9fcc038b25deb0710

        byte[] res = sm4_t.decrypt(ciphertext_t);
        System.out.println("加解密正确性\t\t\t" + new String(res).equals(new String(plaintext)));
        //true

        //byte[] padding = sm4_t.encrypt(HexUtil.decodeHex("10101010101010101010101010101010"));
        //System.out.println("填充位数据加密结果\t\t" + new String(HexUtil.encodeHex(padding)));
        //1db94f833e5b4cf024c8f8d61d70d48c
    }
}

我们发现,Hutool 库的加密结果有 256bit(32字节),其中前 128bit(16字节) 和我们自己的函数加密结果一致。对于多出来的 128bit,是因为其采用了 PKCS #7 填充(应该是)

  • SM4 的加密分组为 16 字节,对于分组长度为 \(n\) 字节 的数据,其后续填充的长度为 \(16 - (n \; mod \; 16)\) 字节,填充的值为填充的字节数。需要注意的是,当数据分组长度恰好是加密分组长度的整数倍时,依旧需要填充

  • 对于上述的数据,因为加密分组长度为 16 字节,根据 PKCS #7 填充规则,需要填充 \(16 - (16 \; mod \; 16) = 16\) 字节的数据,数据内容为 16 (对应的十六进制数为 0x10)。故填充位数据用 16 进制字符串表示则为 16 个 10

我们试着加密十六进制数据 10101010101010101010101010101010 (也就是把上面代码的后面部分解除注释),结果如下

        byte[] padding = sm4_t.encrypt(HexUtil.decodeHex("10101010101010101010101010101010"));
        System.out.println("填充位数据加密结果\t\t"+  new String(HexUtil.encodeHex(padding)));
        //1db94f833e5b4cf024c8f8d61d70d48c

发现加密的结果就是库函数加密结果的后面 128bit,验证了 HutoolSM4 采用了 PKCS #7 填充方式,同时也验证了我们自己写的函数能够实现 SM4 的加解密操作


突然发现 HuTool 可以设置不使用填充的 SM4,具体代码如下(小心和上面自己写的SM4发生命名冲突)

import cn.hutool.core.util.HexUtil;
import cn.hutool.crypto.Mode;
import cn.hutool.crypto.Padding;
import cn.hutool.crypto.symmetric.SM4;

public class SM4Test {
    public static void main(String[] args) {
        // key必须是16位
        byte[] key = "1234567812345678".getBytes();//128bit(16byte)
        byte[] plaintext = "1234567812345678".getBytes();//128bit(16byte)

        SM4 sm4 = new SM4(Mode.ECB, Padding.NoPadding, key);
        byte[] ciphertext = sm4.encrypt(plaintext);//库加密结果
        System.out.println("库函数加密结果\t\t" + new String(HexUtil.encodeHex(ciphertext)));
        //e863652f50ad5ed9fcc038b25deb07101db94f833e5b4cf024c8f8d61d70d48c
    }
}
posted @ 2020-12-15 00:33  kentle  阅读(21944)  评论(6编辑  收藏  举报