前言
神探夏洛克
二战加解密
卷福
SM4-中国人自己的加密算法
好的算法：告诉你算法，没有秘钥，也无法破解。
SM4是一种分组密码算法，其分组长度为128位（即16字节，4字），密钥长度也为128位（即16字节，4字）。
其加解密过程采用了32轮迭代机制（与DES、AES类似），每一轮需要一个轮密钥（与DES、AES类似）。
快速体验
maven 依赖
<dependency>
<groupId>org.bouncycastle</groupId>
<artifactId>bcprov-jdk15on</artifactId>
<version>1.59</version>
</dependency>
工具封装
import com.github.houbb.secret.api.exception.SecretRuntimeException;
import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
import org.bouncycastle.pqc.math.linearalgebra.ByteUtils;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.security.Key;
import java.security.Security;
import java.util.Arrays;
/**
* Sm4 国密算法
*
* @author binbin.hou
* @since 0.0.5
*/
public final class Sm4Util {
private Sm4Util() {
}
static {
Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
}
private static final String ENCODING = "UTF-8";
private static final String ALGORITHM_NAME = "SM4";
/**
* PKCS5Padding NoPadding 补位规则，PKCS5Padding缺位补0，NoPadding不补
*/
private static final String ALGORITHM_NAME_ECB_PADDING = "SM4/ECB/PKCS5Padding";
/**
* ECB加密模式，无向量
* @param algorithmName 算法名称
* @param mode 模式
* @param key key
* @return 结果
*/
private static Cipher generateEcbCipher(String algorithmName, int mode, byte[] key) throws Exception {
Cipher cipher = Cipher.getInstance(algorithmName, BouncyCastleProvider.PROVIDER_NAME);
Key sm4Key = new SecretKeySpec(key, ALGORITHM_NAME);
cipher.init(mode, sm4Key);
return cipher;
}
/**
* sm4加密
* 加密模式：ECB 密文长度不固定，会随着被加密字符串长度的变化而变化
*
* @param hexKey 16进制密钥（忽略大小写）
* @param plainText 待加密字符串
* @return 返回16进制的加密字符串
* @since 0.0.5
*/
public static String encryptEcb(String hexKey, String plainText) {
try {
String cipherText = "";
// 16进制字符串-->byte[]
byte[] keyData = ByteUtils.fromHexString(hexKey);
// String-->byte[]
//当加密数据为16进制字符串时使用这行
byte[] srcData = plainText.getBytes(ENCODING);
// 加密后的数组
byte[] cipherArray = encryptEcbPadding(keyData, srcData);
// byte[]-->hexString
cipherText = ByteUtils.toHexString(cipherArray);
return cipherText;
} catch (Exception exception) {
throw new SecretRuntimeException(exception);
}
}
/**
* 加密模式之Ecb
*
* @param key 秘钥
* @param data 待加密的数据
* @return 字节数组
* @since 0.0.5
*/
public static byte[] encryptEcbPadding(byte[] key, byte[] data) {
try {
//声称Ecb暗号,通过第二个参数判断加密还是解密
Cipher cipher = generateEcbCipher(ALGORITHM_NAME_ECB_PADDING, Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
return cipher.doFinal(data);
} catch (Exception exception) {
throw new SecretRuntimeException(exception);
}
}
//解密****************************************
/**
* sm4解密
*
* 解密模式：采用ECB
* @param hexKey 16进制密钥
* @param cipherText 16进制的加密字符串（忽略大小写）
* @return 解密后的字符串
* @since 0.0.5
*/
public static String decryptEcb(String hexKey, String cipherText) {
try {
// 用于接收解密后的字符串
String decryptStr = "";
// hexString-->byte[]
byte[] keyData = ByteUtils.fromHexString(hexKey);
// hexString-->byte[]
byte[] cipherData = ByteUtils.fromHexString(cipherText);
// 解密
byte[] srcData = decryptEcbPadding(keyData, cipherData);
// byte[]-->String
decryptStr = new String(srcData, ENCODING);
return decryptStr;
} catch (Exception exception) {
throw new SecretRuntimeException(exception);
}
}
/**
* 解密
*
* @param key 秘钥
* @param cipherText 密文
* @return 结果
* @since 0.0.5
*/
public static byte[] decryptEcbPadding(byte[] key, byte[] cipherText) {
try {
//生成Ecb暗号,通过第二个参数判断加密还是解密
Cipher cipher = generateEcbCipher(ALGORITHM_NAME_ECB_PADDING, Cipher.DECRYPT_MODE, key);
return cipher.doFinal(cipherText);
} catch (Exception exception) {
throw new SecretRuntimeException(exception);
}
}
/**
* 验证数据
* @param hexKey key
* @param cipherText 密文
* @param plainText 明文
* @return 结果
* @since 0.0.5
*/
public static boolean verifyEcb(String hexKey, String cipherText, String plainText) {
try {
// 用于接收校验结果
boolean flag = false;
// hexString-->byte[]
byte[] keyData = ByteUtils.fromHexString(hexKey);
// 将16进制字符串转换成数组
byte[] cipherData = ByteUtils.fromHexString(cipherText);
// 解密
byte[] decryptData = decryptEcbPadding(keyData, cipherData);
// 将原字符串转换成byte[]
byte[] srcData = plainText.getBytes(ENCODING);
// 判断2个数组是否一致
flag = Arrays.equals(decryptData, srcData);
return flag;
} catch (Exception exception) {
throw new SecretRuntimeException(exception);
}
}
}
测试代码
System.out.println("开始****************************");
String plainText = "96C63180C2806ED1F47B859DE501215B";
System.out.println("加密前：" + plainText);
//自定义的32位16进制秘钥
String key = "86C63180C2806ED1F47B859DE501215B";
String cipher = encryptEcb(key, plainText);//sm4加密
System.out.println("加密后：" + cipher);
//校验加密前后是否为同一数据
System.out.println("校验：" + verifyEcb(key, cipher, plainText));
plainText = decryptEcb(key, cipher);//解密
System.out.println("解密后：" + plainText);
System.out.println("结束****************************");
对应日志：
开始****************************
加密前：96C63180C2806ED1F47B859DE501215B
加密后：063c352bcec7d360da455ebaab2595347d0aa493d2a80a72396771b5585a49f81642326904c036af50b50f92e86cb274
校验：true
解密后：96C63180C2806ED1F47B859DE501215B
结束****************************
电码本模式（ECB）
上面实现中用到了 ECB，这里做一下简单的介绍。
电码本模式（Electronic Code Book，ECB）就是使用相同的密钥对明文组进行加密，一次只加密一组明文。
解密时也使用相同的密钥对密文组进行解密，一次解密一组密文。
在这种工作模式下，一个明文组只能固定地被加密成一个对应的密文组，一个密文组也只能固定地被解密成对应的密文组。
他们彼此是一一对应的。
设想我们有一个厚厚的密码本，每次加密时，我们只需要从密码本中查出明文所对应的密文就可以。这也是电码本模式名称的由来。
对于短消息，ECB模式是比较适用的。但对于长消息，ECB模式就不太安全了。
这是因为长消息中会经常对相同的明文分组进行加密，得出相同的密文，这回导致频率特征暴露，造成安全隐患。
实现原理
下面的内容比较枯燥，涉及到机具的原理。
建议收藏，以后用到了再查看。
核心流程
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
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 x0,x1,x2,x3
当 i=0 时为第一次轮变换，一直进行到 i=31 结束。
xi 暂时不做处理，将 xi+1,xi+2,xi+3 和轮密钥 rki 异或得到一个 32bit 的数据，作为盒变换的输入
即 sbox_input=xi+1⊕xi+2⊕xi+3⊕rki，⊕符号代表异或运算
将 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 y2,y10,y18,y24
将移位的结果 y2,y10,y18,y24与盒变换输出 sbox_output 和 xi 异或，得到 xi+4 即 xi+4=sbox_output⊕y2⊕y10⊕y18⊕y24⊕xi
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 rki ，rki 由密钥拓展生成
最后将生成的最后 4 个 32bit 数据 x35,x34,x33,x32 合并成一个 128bit 的数据 output，作为最后的输出结果
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 32bit 的数据 K0,K1,K2,K3
将初始密钥 K0,K1,K2,K3 分别异或固定参数 FK0,FK1,FK2,FK3 得到用于循环的密钥 k0,k1,k2,k3
即 k0=K0⊕FK0,k1=K1⊕FK1,k2=K2⊕FK2,k3=K3⊕FK3
进入轮密钥 rki 的生成。当 i=0 时为第一次轮变换，一直进行到 i=31 结束
ki 暂时不做处理，将 ki+1,ki+2,ki+3 和固定参数 CKi 异或得到一个 32bit 的数据，作为盒变换的输入 即 sbox_input=ki+1⊕ki+2⊕ki+3⊕cki
将 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 y13,y23
将移位的结果 y13,y23 与盒变换输出 sbox_output 和 ki 异或，得到 ki+4 即 rki=ki+4=sbox_output⊕y13⊕y23⊕ki
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 CKi ，CKi 为固定参数
执行完 32 轮后，便可获得 32 个用于加解密的 rki
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 rki
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 rk31 作为轮密钥，第 i 轮使用 rk31−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(xi,xi+1,xi+2,xi+3,rki)=xi⊕T(xi+1⊕xi+2⊕xi+3⊕rki)，其中函数 T 包括上述提到的盒变换和移位异或运算。那么 xi+4=F(xi,xi+1,xi+2,xi+3,rki)
以最后一轮加密运算为例，x35=x31⊕T(x32⊕x33⊕x34⊕rk31)，得到的 4 个 32 bit 字为 x32,x33,x34,x35。
最后输出会将这 4 个字逆序，即输出 x35,x34,x33,x32
SM4 解密流程
接下来看解密，记加密的明文为 x0,x1,x2,x3 ，将加密算法最后输出结果 x35,x34,x33,x32 记为 x′0,x′1,x′2,x′3，并让 rk′i=rk31−i
(也就是轮密钥逆序)
将 x′0,x′1,x′2,x′3 和 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⊕T(x′1⊕x′2⊕x′3⊕rk′0)，我们知道 x′0=x35,x′1=x34,x′2=x33,x′3=x32，故 x′4=x35⊕T(x34⊕x33⊕x32⊕rk31)=x31⊕T(⋯)⊕T(⋯)=x31 类似的，我们可以得出 x′i=x35−i，最后一轮函数结束后的结果为 x3,x2,x1,x0，经过逆序后便是 x0,x1,x2,x3，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。
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）
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);
}
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};
}
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，我们可以先与上 0xFF。
在进行与运算时，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);
}
盒变换
S 盒实际上是一个 8 比特到 8 比特的映射。
S 盒为 16×16 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 16×16 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]);
}
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;
}
完整的代码
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);
}
}
小结
SM4 在国内的金融交易领域应用非常广泛，我们在使用的时候更要注意其优缺点。
一般都是用于秘钥的加解密。
