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详解SM4

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SM4简介

SM4是中国国家密码管理局（GM/T 0002-2012）发布的商用分组密码算法，属于对称加密算法。

类型：对称分组加密

分组长度：128位（16字节）

密钥长度：128位（16字节）

迭代轮数：32轮

设计结构：基于Feistel网络结构，但实际采用更高效的非线性迭代结构。

加密流程

明文处理

将128位明文分为4个32位字（大端序存储）：X0，X1，X2，X3

32轮迭代加密

轮函数

每轮的操作公式如下：

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X{i+4}=Xi⊕T(X{i+1}⊕X{i+2}⊕X{i+3}⊕rki)

// rki会在后面密钥调度中提到，这里理解为轮秘钥

也可以把这个公式理解为轮函数F

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X{i+4} = F(Xi,X{i+1},X{i+2},X{i+3}) = Xi⊕T(X{i+1}⊕X{i+2}⊕X{i+3}⊕rki)

核心函数T

S盒置换（非线性层）

将T函数的输入X{i+1}⊕X{i+2}⊕X{i+3}⊕rki32位拆分为4个8位字节，每个字节通过固定S盒替换（查表），得到32位的结果B.

线性变换L（扩散层）

对S盒的32位输出B进行循环左移和异或

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L(B)=B⊕(B⋘2)⊕(B⋘10)⊕(B⋘18)⊕(B⋘24)

更新寄存器

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X{i+4}=Xi⊕L(B)

反序合并

最终输出密文时，将X32,X33,X34,X35反序排列并合并为128位。

示例：

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X32=0x12345678(字A)
X33=0x9ABCDEF0(字B)
X34=0x11223344(字C)
X35=0x55667788(字D)

取逆序字：D=0x55667788, C=0x11223344, B=0x9ABCDEF0, A=0x12345678。

按大端序合并

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cipher = 0x55667788112233449ABCDEF012345678

密钥调度

通过密钥调度生成32个轮秘钥（每轮一个，32位）。

主密钥拆分

首先将128位主密钥分为4个32位字：MK0，MK1，MK2，MK3

固定常数FK

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FK0=0xA3B1BAC6,
FK1=0x56AA3350,
FK2=0x677D9197,
FK3=0xB27022DC.

固定参数CK

生成中间密钥

每个MKi与FKi异或，得到初始密钥K0到K3

迭代生成轮秘钥

通过32轮迭代生成后续的K4到K35

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├─迭代32轮：
│   for i = 0 to 31:
│     计算中间值 = K_{i+1} ⊕ K_{i+2} ⊕ K_{i+3} ⊕ CK_i
│     │
│     ├─S盒置换（4字节查表）
│     │
│     └─线性变换L'（循环左移13、23位后异或）
│     生成 K_{i+4} = K_i ⊕ T'(中间值)
│     保存 rk_i = K_{i+4}

T’函数

与加密过程中的T函数类似，S盒置换与加密算法中的S盒算法相同，有区别的是线性替换L’

线性变换L′

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L′(B)=B⊕(B⋘13)⊕(B⋘23)

流程总结

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主密钥 (128位)
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├─拆分为 MK₀, MK₁, MK₂, MK₃
│
├─异或 FK₀-FK₃ → 生成 K₀-K₃
│
├─迭代32轮：
│   for i = 0 to 31:
│     计算中间值 = K_{i+1} ⊕ K_{i+2} ⊕ K_{i+3} ⊕ CK_i
│     │
│     ├─S盒置换（4字节查表）
│     │
│     └─线性变换L'（循环左移13、23位后异或）
│     生成 K_{i+4} = K_i ⊕ T'(中间值)
│     保存 rk_i = K_{i+4}
│
└─输出轮密钥 rk_0, rk_1, ..., rk_31