sm4算法（附源码、测试代码）

from:http://blog.csdn.net/mao0514/article/details/52930944

SM4是我们自己国家的一个分组密码算法，是国家密码管理局于2012年发布的。网址戳→_→：http://www.cnnic.NET.cn/jscx/mixbz/sm4/

具体的密码标准和算法官方有非常详尽的PDF文档以供查阅，戳→_→：http://218.241.108.63/wiki/images/2/22/SM4%E5%88%86%E7%BB%84%E5%AF%86%E7%A0%81%E7%AE%97%E6%B3%95.pdf
算法的源码实现官方也有相应的示例源码，戳→_→：
http://218.241.108.63/wiki/index.PHP/File:Sm2_sm3_sm4_c%E8%AF%AD%E8%A8%80%E5%AE%9E%E7%8E%B0.zip
先说说啥是分组密码算法：
分组密码算法——国际DES、国产SM4分组密码就是将明文数据按固定长度进行分组，然后在同一密钥控制下逐组进行加密，从而将各个明文分组变换成一个等长的密文分组的密码。其中二进制明文分组的长度称为该分组密码的分组规模。

SM4密码算法的整体结构图如下：

 

 

在SM4的源代码中存在如下几个函数:
 
  1. void sm4_setkey_enc(sm4_context *ctx，unsigned char key[16])  
  2. void sm4_setkey_dec(sm4_context *ctx，unsigned char key[16])  
  3. void sm4_crypt_ecb( sm4_context *ctx,int mode,int length, unsigned char *input,unsigned char *output)  
  4. void sm4_crypt_cbc( sm4_context *ctx,int mode,int length,unsigned char iv[16],unsigned char *input,unsigned char *output )  
  5. static void sm4_setkey( unsigned long SK[32], unsigned char key[16] )  



还有一个非常重要的结构体：sm4_context
 
  1. typedef struct  
  2. {  
  3.     int mode;                   /*!<  encrypt/decrypt   */  
  4.     unsigned long sk[32];       /*!<  SM4 subkeys       */  
  5. }sm4_context;  



先说结构体：
sm4_context结构体中的Mode控制是加密还是解密，sk则表示子密钥，也称作轮密钥。
 

第一个函数： void sm4_setkey_enc(sm4_context *ctx，unsigned char key[16])
这个函数是用来设置加密密钥的，一个参数分别为sm4_context *ctx和一个key。
其内部会调用static void sm4_setkey( unsigned long SK[32], unsigned char key[16] )函数
这个函数是用来设置密钥的，这个函数内部会对当前传入的主密钥进行32轮的迭代，每次迭代的轮密钥都被存放到ctx结构中的sk数组中。
void sm4_setkey_dec(sm4_context *ctx，unsigned char key[16])函数就是解密函数，过程为上述过程的逆序过程。
第二个函数：void sm4_crypt_ecb( sm4_context *ctx,int mode,int length, unsigned char 
这个函数的作用是使用ecb模式（ECB（Electronic Codebook，电码本）模式是分组密码的一种最基本的工作模式。同样，sm4_crypt_cbc函数则是使用的CBC模式，也就是分组链接模式）来对内容进行加密，内部也是一个循环，根据length的长度来进行循环，每次循环都调用sm4_one_round进行加密或者解密，到底是加密还是解密，主要是根据第二个参数Mode来进行决定。
以上就是整个SM4算法的函数简介，运用这些函数接口，我们不需要知道内部的具体实现，就可以使用sm4加密算法来对我们的数据进行加解密，十分的方便。
 
  1. /*测试代码   
  2.  * SM4/SMS4 algorithm test programme   
  3.  * 2012-4-21   
  4.  */    
  5.     
  6. #include <string.h>    
  7. #include <stdio.h>    
  8. #include "sm4.h"    
  9.     
  10. int main()    
  11. {    
  12.     unsigned char key[16] = {0x01,0x23,0x45,0x67,0x89,0xab,0xcd,0xef,0xfe,0xdc,0xba,0x98,0x76,0x54,0x32,0x10};    
  13.     unsigned char input[16] = {0x01,0x23,0x45,0x67,0x89,0xab,0xcd,0xef,0xfe,0xdc,0xba,0x98,0x76,0x54,0x32,0x10};    
  14.     unsigned char output[16];    
  15.     sm4_context ctx;    
  16.     unsigned long i;    
  17.     
  18.     //encrypt standard testing vector    
  19.     sm4_setkey_enc(&ctx,key);    
  20.     sm4_crypt_ecb(&ctx,1,16,input,output);    
  21.     for(i=0;i<16;i++)    
  22.         printf("%02x ", output[i]);    
  23.     printf("\n");    
  24.     
  25.     //decrypt testing    
  26.     sm4_setkey_dec(&ctx,key);    
  27.     sm4_crypt_ecb(&ctx,0,16,output,output);    
  28.     for(i=0;i<16;i++)    
  29.         printf("%02x ", output[i]);    
  30.     printf("\n");    
  31.     
  32.         
  33.     return 0;    
  34. }   






    
 
  1. /**   
  2.      * \file sm4.h   
  3.      */    
  4.     #ifndef XYSSL_SM4_H    
  5.     #define XYSSL_SM4_H    
  6.         
  7.     #define SM4_ENCRYPT     1    
  8.     #define SM4_DECRYPT     0    
  9.         
  10.     /**   
  11.      * \brief          SM4 context structure   
  12.      */    
  13.     typedef struct    
  14.     {    
  15.         int mode;                   /*!<  encrypt/decrypt   */    
  16.         unsigned long sk[32];       /*!<  SM4 subkeys       */    
  17.     }    
  18.     sm4_context;    
  19.         
  20.         
  21.     #ifdef __cplusplus    
  22.     extern "C" {    
  23.     #endif    
  24.         
  25.     /**   
  26.      * \brief          SM4 key schedule (128-bit, encryption)   
  27.      *   
  28.      * \param ctx      SM4 context to be initialized   
  29.      * \param key      16-byte secret key   
  30.      */    
  31.     void sm4_setkey_enc( sm4_context *ctx, unsigned char key[16] );    
  32.         
  33.     /**   
  34.      * \brief          SM4 key schedule (128-bit, decryption)   
  35.      *   
  36.      * \param ctx      SM4 context to be initialized   
  37.      * \param key      16-byte secret key   
  38.      */    
  39.     void sm4_setkey_dec( sm4_context *ctx, unsigned char key[16] );    
  40.         
  41.     /**   
  42.      * \brief          SM4-ECB block encryption/decryption   
  43.      * \param ctx      SM4 context   
  44.      * \param mode     SM4_ENCRYPT or SM4_DECRYPT   
  45.      * \param length   length of the input data   
  46.      * \param input    input block   
  47.      * \param output   output block   
  48.      */    
  49.     void sm4_crypt_ecb( sm4_context *ctx,    
  50.                          int mode,    
  51.                          int length,    
  52.                          unsigned char *input,    
  53.                          unsigned char *output);    
  54.         
  55.     #ifdef __cplusplus    
  56.     }    
  57.     #endif    
  58.         
  59.     #endif /* sm4.h */   






  
 
    1.  /*   
    2.      * SM4 Encryption alogrithm (SMS4 algorithm)   
    3.      * GM/T 0002-2012 Chinese National Standard ref:http://www.oscca.gov.cn/    
    4.      * thanks to Xyssl   
    5.      * thnaks and refers to http://hi.baidu.com/numax/blog/item/80addfefddfb93e4cf1b3e61.html   
    6.      * author:goldboar   
    7.      * email:goldboar@163.com   
    8.      * 2012-4-20   
    9.      */    
    10.         
    11.         
    12.     // Test vector 1    
    13.     // plain: 01 23 45 67 89 ab cd ef fe dc ba 98 76 54 32 10    
    14.     // key:   01 23 45 67 89 ab cd ef fe dc ba 98 76 54 32 10    
    15.     //    round key and temp computing result:    
    16.     //    rk[ 0] = f12186f9 X[ 0] = 27fad345    
    17.     //    rk[ 1] = 41662b61 X[ 1] = a18b4cb2    
    18.     //    rk[ 2] = 5a6ab19a X[ 2] = 11c1e22a    
    19.     //    rk[ 3] = 7ba92077 X[ 3] = cc13e2ee    
    20.     //    rk[ 4] = 367360f4 X[ 4] = f87c5bd5    
    21.     //    rk[ 5] = 776a0c61 X[ 5] = 33220757    
    22.     //    rk[ 6] = b6bb89b3 X[ 6] = 77f4c297    
    23.     //    rk[ 7] = 24763151 X[ 7] = 7a96f2eb    
    24.     //    rk[ 8] = a520307c X[ 8] = 27dac07f    
    25.     //    rk[ 9] = b7584dbd X[ 9] = 42dd0f19    
    26.     //    rk[10] = c30753ed X[10] = b8a5da02    
    27.     //    rk[11] = 7ee55b57 X[11] = 907127fa    
    28.     //    rk[12] = 6988608c X[12] = 8b952b83    
    29.     //    rk[13] = 30d895b7 X[13] = d42b7c59    
    30.     //    rk[14] = 44ba14af X[14] = 2ffc5831    
    31.     //    rk[15] = 104495a1 X[15] = f69e6888    
    32.     //    rk[16] = d120b428 X[16] = af2432c4    
    33.     //    rk[17] = 73b55fa3 X[17] = ed1ec85e    
    34.     //    rk[18] = cc874966 X[18] = 55a3ba22    
    35.     //    rk[19] = 92244439 X[19] = 124b18aa    
    36.     //    rk[20] = e89e641f X[20] = 6ae7725f    
    37.     //    rk[21] = 98ca015a X[21] = f4cba1f9    
    38.     //    rk[22] = c7159060 X[22] = 1dcdfa10    
    39.     //    rk[23] = 99e1fd2e X[23] = 2ff60603    
    40.     //    rk[24] = b79bd80c X[24] = eff24fdc    
    41.     //    rk[25] = 1d2115b0 X[25] = 6fe46b75    
    42.     //    rk[26] = 0e228aeb X[26] = 893450ad    
    43.     //    rk[27] = f1780c81 X[27] = 7b938f4c    
    44.     //    rk[28] = 428d3654 X[28] = 536e4246    
    45.     //    rk[29] = 62293496 X[29] = 86b3e94f    
    46.     //    rk[30] = 01cf72e5 X[30] = d206965e    
    47.     //    rk[31] = 9124a012 X[31] = 681edf34    
    48.     // cypher: 68 1e df 34 d2 06 96 5e 86 b3 e9 4f 53 6e 42 46    
    49.   
    50.     // test vector 2    
    51.     // the same key and plain 1000000 times coumpting     
    52.     // plain:  01 23 45 67 89 ab cd ef fe dc ba 98 76 54 32 10    
    53.     // key:    01 23 45 67 89 ab cd ef fe dc ba 98 76 54 32 10    
    54.     // cypher: 59 52 98 c7 c6 fd 27 1f 04 02 f8 04 c3 3d 3f 66    
    55.         
    56.         
    57.     #include "sm4.h"    
    58.     #include <string.h>    
    59.     #include <stdio.h>    
    60.         
    61.         
    62.     /*   
    63.      * 32-bit integer manipulation macros (big endian)   
    64.      */    
    65.     #ifndef GET_ULONG_BE    
    66.     #define GET_ULONG_BE(n,b,i)                             \    
    67.     {                                                       \    
    68.         (n) = ( (unsigned long) (b)[(i)    ] << 24 )        \    
    69.             | ( (unsigned long) (b)[(i) + 1] << 16 )        \    
    70.             | ( (unsigned long) (b)[(i) + 2] <<  8 )        \    
    71.             | ( (unsigned long) (b)[(i) + 3]       );       \    
    72.     }    
    73.     #endif    
    74.         
    75.         
    76.     #ifndef PUT_ULONG_BE    
    77.     #define PUT_ULONG_BE(n,b,i)                             \    
    78.     {                                                       \    
    79.         (b)[(i)    ] = (unsigned char) ( (n) >> 24 );       \    
    80.         (b)[(i) + 1] = (unsigned char) ( (n) >> 16 );       \    
    81.         (b)[(i) + 2] = (unsigned char) ( (n) >>  8 );       \    
    82.         (b)[(i) + 3] = (unsigned char) ( (n)       );       \    
    83.     }    
    84.     #endif    
    85.         
    86.         
    87.     /*   
    88.      *rotate shift left marco definition   
    89.      *   
    90.      */    
    91.     #define  SHL(x,n) (((x) & 0xFFFFFFFF) << n)    
    92.     #define ROTL(x,n) (SHL((x),n) | ((x) >> (32 - n)))    
    93.         
    94.         
    95.     #define SWAP(a,b) { unsigned long t = a; a = b; b = t; t = 0; }    
    96.         
    97.         
    98.     /*   
    99.      * Expanded SM4 S-boxes   
    100.      /* Sbox table: 8bits input convert to 8 bits output*/    
    101.          
    102.     static const unsigned char SboxTable[16][16] =     
    103.     {    
    104.     {0xd6,0x90,0xe9,0xfe,0xcc,0xe1,0x3d,0xb7,0x16,0xb6,0x14,0xc2,0x28,0xfb,0x2c,0x05},    
    105.     {0x2b,0x67,0x9a,0x76,0x2a,0xbe,0x04,0xc3,0xaa,0x44,0x13,0x26,0x49,0x86,0x06,0x99},    
    106.     {0x9c,0x42,0x50,0xf4,0x91,0xef,0x98,0x7a,0x33,0x54,0x0b,0x43,0xed,0xcf,0xac,0x62},    
    107.     {0xe4,0xb3,0x1c,0xa9,0xc9,0x08,0xe8,0x95,0x80,0xdf,0x94,0xfa,0x75,0x8f,0x3f,0xa6},    
    108.     {0x47,0x07,0xa7,0xfc,0xf3,0x73,0x17,0xba,0x83,0x59,0x3c,0x19,0xe6,0x85,0x4f,0xa8},    
    109.     {0x68,0x6b,0x81,0xb2,0x71,0x64,0xda,0x8b,0xf8,0xeb,0x0f,0x4b,0x70,0x56,0x9d,0x35},    
    110.     {0x1e,0x24,0x0e,0x5e,0x63,0x58,0xd1,0xa2,0x25,0x22,0x7c,0x3b,0x01,0x21,0x78,0x87},    
    111.     {0xd4,0x00,0x46,0x57,0x9f,0xd3,0x27,0x52,0x4c,0x36,0x02,0xe7,0xa0,0xc4,0xc8,0x9e},    
    112.     {0xea,0xbf,0x8a,0xd2,0x40,0xc7,0x38,0xb5,0xa3,0xf7,0xf2,0xce,0xf9,0x61,0x15,0xa1},    
    113.     {0xe0,0xae,0x5d,0xa4,0x9b,0x34,0x1a,0x55,0xad,0x93,0x32,0x30,0xf5,0x8c,0xb1,0xe3},    
    114.     {0x1d,0xf6,0xe2,0x2e,0x82,0x66,0xca,0x60,0xc0,0x29,0x23,0xab,0x0d,0x53,0x4e,0x6f},    
    115.     {0xd5,0xdb,0x37,0x45,0xde,0xfd,0x8e,0x2f,0x03,0xff,0x6a,0x72,0x6d,0x6c,0x5b,0x51},    
    116.     {0x8d,0x1b,0xaf,0x92,0xbb,0xdd,0xbc,0x7f,0x11,0xd9,0x5c,0x41,0x1f,0x10,0x5a,0xd8},    
    117.     {0x0a,0xc1,0x31,0x88,0xa5,0xcd,0x7b,0xbd,0x2d,0x74,0xd0,0x12,0xb8,0xe5,0xb4,0xb0},    
    118.     {0x89,0x69,0x97,0x4a,0x0c,0x96,0x77,0x7e,0x65,0xb9,0xf1,0x09,0xc5,0x6e,0xc6,0x84},    
    119.     {0x18,0xf0,0x7d,0xec,0x3a,0xdc,0x4d,0x20,0x79,0xee,0x5f,0x3e,0xd7,0xcb,0x39,0x48}    
    120.     };    
    121.         
    122.         
    123.     /* System parameter */    
    124.     static const unsigned long FK[4] = {0xa3b1bac6,0x56aa3350,0x677d9197,0xb27022dc};    
    125.         
    126.         
    127.     /* fixed parameter */    
    128.     static const unsigned long CK[32] =    
    129.     {    
    130.     0x00070e15,0x1c232a31,0x383f464d,0x545b6269,    
    131.     0x70777e85,0x8c939aa1,0xa8afb6bd,0xc4cbd2d9,    
    132.     0xe0e7eef5,0xfc030a11,0x181f262d,0x343b4249,    
    133.     0x50575e65,0x6c737a81,0x888f969d,0xa4abb2b9,    
    134.     0xc0c7ced5,0xdce3eaf1,0xf8ff060d,0x141b2229,    
    135.     0x30373e45,0x4c535a61,0x686f767d,0x848b9299,    
    136.     0xa0a7aeb5,0xbcc3cad1,0xd8dfe6ed,0xf4fb0209,    
    137.     0x10171e25,0x2c333a41,0x484f565d,0x646b7279    
    138.     };    
    139.         
    140.         
    141.         
    142.         
    143.     /*   
    144.      * private function:   
    145.      * look up in SboxTable and get the related value.   
    146.      * args:    [in] inch: 0x00~0xFF (8 bits unsigned value).   
    147.      */    
    148.     static unsigned char sm4Sbox(unsigned char inch)    
    149.     {    
    150.         unsigned char *pTable = (unsigned char *)SboxTable;    
    151.         unsigned char retVal = (unsigned char)(pTable[inch]);    
    152.         return retVal;    
    153.     }    
    154.         
    155.         
    156.     /*   
    157.      * private F(Lt) function:   
    158.      * "T algorithm" == "L algorithm" + "t algorithm".   
    159.      * args:    [in] a: a is a 32 bits unsigned value;   
    160.      * return: c: c is calculated with line algorithm "L" and nonline algorithm "t"   
    161.      */    
    162.     static unsigned long sm4Lt(unsigned long ka)    
    163.     {    
    164.         unsigned long bb = 0;    
    165.         unsigned long c = 0;    
    166.         unsigned char a[4];    
    167.         unsigned char b[4];    
    168.         PUT_ULONG_BE(ka,a,0)    
    169.         b[0] = sm4Sbox(a[0]);    
    170.         b[1] = sm4Sbox(a[1]);    
    171.         b[2] = sm4Sbox(a[2]);    
    172.         b[3] = sm4Sbox(a[3]);    
    173.         GET_ULONG_BE(bb,b,0)    
    174.         c =bb^(ROTL(bb, 2))^(ROTL(bb, 10))^(ROTL(bb, 18))^(ROTL(bb, 24));    
    175.         return c;    
    176.     }    
    177.         
    178.         
    179.     /*   
    180.      * private F function:   
    181.      * Calculating and getting encryption/decryption contents.   
    182.      * args:    [in] x0: original contents;   
    183.      * args:    [in] x1: original contents;   
    184.      * args:    [in] x2: original contents;   
    185.      * args:    [in] x3: original contents;   
    186.      * args:    [in] rk: encryption/decryption key;   
    187.      * return the contents of encryption/decryption contents.   
    188.      */    
    189.     static unsigned long sm4F(unsigned long x0, unsigned long x1, unsigned long x2, unsigned long x3, unsigned long rk)    
    190.     {    
    191.         return (x0^sm4Lt(x1^x2^x3^rk));    
    192.     }    
    193.         
    194.         
    195.         
    196.         
    197.     /* private function:   
    198.      * Calculating round encryption key.   
    199.      * args:    [in] a: a is a 32 bits unsigned value;   
    200.      * return: sk[i]: i{0,1,2,3,...31}.   
    201.      */    
    202.     static unsigned long sm4CalciRK(unsigned long ka)    
    203.     {    
    204.         unsigned long bb = 0;    
    205.         unsigned long rk = 0;    
    206.         unsigned char a[4];    
    207.         unsigned char b[4];    
    208.         PUT_ULONG_BE(ka,a,0)    
    209.         b[0] = sm4Sbox(a[0]);    
    210.         b[1] = sm4Sbox(a[1]);    
    211.         b[2] = sm4Sbox(a[2]);    
    212.         b[3] = sm4Sbox(a[3]);    
    213.         GET_ULONG_BE(bb,b,0)    
    214.         rk = bb^(ROTL(bb, 13))^(ROTL(bb, 23));    
    215.         return rk;    
    216.     }    
    217.         
    218.         
    219.     static void sm4_setkey( unsigned long SK[32], unsigned char key[16] )    
    220.     {    
    221.         unsigned long MK[4];    
    222.         unsigned long k[36];    
    223.         unsigned long i = 0;    
    224.         
    225.         
    226.         GET_ULONG_BE( MK[0], key, 0 );    
    227.         GET_ULONG_BE( MK[1], key, 4 );    
    228.         GET_ULONG_BE( MK[2], key, 8 );    
    229.         GET_ULONG_BE( MK[3], key, 12 );    
    230.         k[0] = MK[0]^FK[0];    
    231.         k[1] = MK[1]^FK[1];    
    232.         k[2] = MK[2]^FK[2];    
    233.         k[3] = MK[3]^FK[3];    
    234.         for(; i<32; i++)    
    235.         {    
    236.             k[i+4] = k[i] ^ (sm4CalciRK(k[i+1]^k[i+2]^k[i+3]^CK[i]));    
    237.             SK[i] = k[i+4];    
    238.         }    
    239.         
    240.         
    241.     }    
    242.         
    243.         
    244.     /*   
    245.      * SM4 standard one round processing   
    246.      *   
    247.      */    
    248.     static void sm4_one_round( unsigned long sk[32],    
    249.                         unsigned char input[16],    
    250.                         unsigned char output[16] )    
    251.     {    
    252.         unsigned long i = 0;    
    253.         unsigned long ulbuf[36];    
    254.         
    255.         
    256.         memset(ulbuf, 0, sizeof(ulbuf));    
    257.         GET_ULONG_BE( ulbuf[0], input, 0 )    
    258.         GET_ULONG_BE( ulbuf[1], input, 4 )    
    259.         GET_ULONG_BE( ulbuf[2], input, 8 )    
    260.         GET_ULONG_BE( ulbuf[3], input, 12 )    
    261.         while(i<32)    
    262.         {    
    263.             ulbuf[i+4] = sm4F(ulbuf[i], ulbuf[i+1], ulbuf[i+2], ulbuf[i+3], sk[i]);    
    264.     // #ifdef _DEBUG    
    265.     //        printf("rk(%02d) = 0x%08x,  X(%02d) = 0x%08x \n",i,sk[i], i, ulbuf[i+4] );    
    266.     // #endif    
    267.             i++;    
    268.         }    
    269.         PUT_ULONG_BE(ulbuf[35],output,0);    
    270.         PUT_ULONG_BE(ulbuf[34],output,4);    
    271.         PUT_ULONG_BE(ulbuf[33],output,8);    
    272.         PUT_ULONG_BE(ulbuf[32],output,12);    
    273.     }    
    274.         
    275.         
    276.     /*   
    277.      * SM4 key schedule (128-bit, encryption)   
    278.      */    
    279.     void sm4_setkey_enc( sm4_context *ctx, unsigned char key[16] )    
    280.     {    
    281.         ctx->mode = SM4_ENCRYPT;    
    282.         sm4_setkey( ctx->sk, key );    
    283.     }    
    284.         
    285.         
    286.     /*   
    287.      * SM4 key schedule (128-bit, decryption)   
    288.      */    
    289.     void sm4_setkey_dec( sm4_context *ctx, unsigned char key[16] )    
    290.     {    
    291.         int i;    
    292.         ctx->mode = SM4_ENCRYPT;    
    293.         sm4_setkey( ctx->sk, key );    
    294.         for( i = 0; i < 16; i ++ )    
    295.         {    
    296.             SWAP( ctx->sk[ i ], ctx->sk[ 31-i] );    
    297.         }    
    298.     }    
    299.         
    300.         
    301.         
    302.         
    303.     /*   
    304.      * SM4-ECB block encryption/decryption   
    305.      */    
    306.         
    307.         
    308.     void sm4_crypt_ecb( sm4_context *ctx,    
    309.                         int mode,    
    310.                         int length,    
    311.                         unsigned char *input,    
    312.                        unsigned char *output)    
    313.     {    
    314.         while( length > 0 )    
    315.         {    
    316.             sm4_one_round( ctx->sk, input, output );    
    317.             input  += 16;    
    318.             output += 16;    
    319.             length -= 16;    
    320.         }    
    321.         
    322.         
    323.     } 
posted @ 2018-03-23 14:39  insistYuan  阅读(5766)  评论(0)  编辑  收藏  举报