SM4 国密算法原理与 C++跨平台实现详解

2.3 加密模式与填充

1. 常用模式：CBC（需 IV）、CTR（计数器模式）、ECB（不推荐，缺乏扩散性）。
2. 填充方式：PKCS#7 为标准填充方案，确保数据长度对齐分组。

2.4 对称加密算法对比

三、算法实现技术

3.1 硬件实现

• ASIC 设计：通过流水线技术优化 ECB 模式吞吐量，但 CBC 模式因数据依赖性导致效率下降。
• FPGA 实现：利用查找表（LUT）优化 S 盒运算，降低硬件资源消耗。

3.2 软件实现

• C/C++实现：通过预计算 S 盒查找表提升效率，例如将 4 个 32 位字并行处理。
• CBC 模式优化：采用数据分块并行策略，缓解链式加密的延迟问题。

// 示例代码：SM4 密钥扩展（伪代码）
void SM4KeySchedule(uint32_t key[4], uint32_t roundKeys[32]) {
    uint32_t rk = key[0] ^ key[1] ^ key[2] ^ key[3];
    for (int i = 0; i < 32; i++) {
        rk = F(rk, CK[i]); // F 为轮函数，CK 为固定常数
        roundKeys[i] = rk;
    }
}

四、安全性分析

4.1 算法设计安全性

1. 密钥与分组长度 SM4 采用 128 位密钥和 128 位分组长度，密钥空间达到 (2^{128}) 量级，理论上可抵御暴力破解。与 AES-128 的安全强度相当，且分组长度设计符合现代密码学对抗差分攻击的基本要求。
2. 非线性迭代结构 算法采用 32 轮 Feistel 结构，每轮包含非线性变换（S 盒）和线性变换（L 函数）。其中： • S 盒设计：由 4 个并行 8 位输入/输出的 S 盒构成，具备严格的非线性特性（差分均匀性、代数次数等），可抵御差分攻击和线性攻击。 • 线性变换 L：通过循环左移与异或操作（如 (B \oplus (B \ll 2) \oplus (B \ll 10) \oplus (B \ll 18) \oplus (B \ll 24))）实现高分支数扩散，增强雪崩效应。
3. 密钥扩展机制 密钥扩展算法同样采用 32 轮迭代，通过固定参数 (CK_i) 和系统参数 (FK_i) 生成轮密钥，确保密钥与轮函数之间的强关联性，增加密钥推导复杂度。

4.2 抗攻击能力

1. 理论抗攻击性 • 差分攻击与线性攻击：32 轮迭代结构配合 S 盒的非线性特性，使得差分概率和线性偏差显著降低，目前无公开的有效攻击方法。 • 代数攻击：S 盒的代数复杂度（如高次布尔函数）可抵御代数方程的求解攻击。 • 侧信道攻击：标准实现可能受模板攻击等侧信道威胁，但通过掩码技术、冗余编码等防护手段（如白盒实现中的隐式方程组技术），可将攻击复杂度提升至 (2^{128}) 以上。
2. 实际攻防案例 根据清华大学的研究，未防护的 SM4 实现可能被模板攻击破解密钥熵至 44.92 位，但结合二阶掩码与噪声注入技术后，可实现有效防护。

4.3 标准化与权威认证

1. 国家与国际标准 SM4 于 2012 年成为我国密码行业标准（GB/T 32907-2016），2021 年纳入国际标准 ISO/IEC 18033-3，标志着其设计通过国际密码学界审查。
2. 安全性评估 国家密码管理局及多所高校的研究表明，SM4 在抗差分攻击、线性攻击等核心指标上达到商用密码算法的高安全要求。

4.4 实际应用中的安全增强

1. 模式与填充选择 推荐使用 CBC、CTR 等模式配合 PKCS7 填充，避免 ECB 模式的弱安全性问题。
2. 实现加固 • 在资源受限设备（如物联网终端）中，建议结合硬件加密模块或白盒密码技术（如隐式方程与冗余编码）。 • 金融等高安全场景中，需采用动态密钥更新策略及抗侧信道攻击的防护方案。

4.5、与 AES 的对比

尽管 SM4 与 AES-128 的安全强度相当，但其优势体现在： • 自主可控性：完全国产化设计，避免潜在的后门风险。 • 硬件效率：算法结构简洁，在同等安全强度下硬件实现资源占用更低。

五、SM4 的 CBC 算法实现（C++）

5.1 源码（Header-Only）

// sm4.h
#ifndef __SM4_H__
#define __SM4_H__
#include <string.h>

#ifndef GET_ULONG_BE
#define GET_ULONG_BE(n,b,i) {\n    (n)=((unsigned long)(b)[(i)]<<24)|((unsigned long)(b)[(i)+1]<<16)|((unsigned long)(b)[(i)+2]<<8)|((unsigned long)(b)[(i)+3]);\n}
#endif

#ifndef PUT_ULONG_BE
#define PUT_ULONG_BE(n,b,i) {\n    (b)[(i)]=(unsigned char)((n)>>24);\n    (b)[(i)+1]=(unsigned char)((n)>>16);\n    (b)[(i)+2]=(unsigned char)((n)>>8);\n    (b)[(i)+3]=(unsigned char)((n));\n}
#endif

#define SHL(x,n) (((x)&0xFFFFFFFF)<< n)
#define ROTL(x,n) (SHL((x),n)|((x)>>(32- n)))
#define SWAP(a,b){ unsigned long t = a; a = b; b = t; t=0; }

static const unsigned char SboxTable[16][16]={{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}};

static const unsigned long FK[4]={0xa3b1bac6,0x56aa3350,0x677d9197,0xb27022dc};
static const unsigned long CK[32]={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};

class SM4 {
public:
    static void Enc(const unsigned char* src, unsigned char* dst, size_t& len, unsigned char iv[16], const unsigned char key[16]) {
        size_t i, n;
        unsigned long sk[32];
        SetKey(sk, key);
        i = 16 - (len % 16);
        char* pBuf = nullptr;
        if (i > 0) {
            pBuf = new char[len + i];
            memset(pBuf, (int)i, len + i);
            memcpy(pBuf, src, len);
            src = (unsigned char*)pBuf;
        }
        len += i;
        i = len;
        while (i > 0) {
            for (n = 0; n < 16; n++) {
                dst[n] = src[n] ^ iv[n];
            }
            OneRound(sk, dst, dst);
            memcpy(iv, dst, 16);
            src += 16;
            dst += 16;
            i -= 16;
        }
        delete[] pBuf;
    }

    static void Dec(const unsigned char* src, unsigned char* dst, size_t& len, unsigned char iv[16], const unsigned char key[16]) {
        size_t i, n;
        unsigned long sk[32];
        unsigned char tmp[16];
        SetKey(sk, key);
        for (n = 0; n < 16; n++) {
            SWAP(sk[n], sk[31 - n])
        }
        unsigned char* fst = dst;
        i = len;
        while (i > 0) {
            memcpy(tmp, src, 16);
            OneRound(sk, src, dst);
            for (n = 0; n < 16; n++) {
                dst[n] = dst[n] ^ iv[n];
            }
            memcpy(iv, tmp, 16);
            src += 16;
            dst += 16;
            i -= 16;
        }
        i = fst[len - 1];
        if (i >= 1 && i <= 16) {
            memset(fst + len - i, 0, i);
            len -= i;
        }
    }

private:
    static void SetKey(unsigned long SK[32], const unsigned char key[16]) {
        unsigned long MK[4];
        unsigned long k[36];
        GET_ULONG_BE(MK[0], key, 0);
        GET_ULONG_BE(MK[1], key, 4);
        GET_ULONG_BE(MK[2], key, 8);
        GET_ULONG_BE(MK[3], key, 12);
        k[0] = MK[0] ^ FK[0];
        k[1] = MK[1] ^ FK[1];
        k[2] = MK[2] ^ FK[2];
        k[3] = MK[3] ^ FK[3];
        for (unsigned long i = 0; i < 32; i++) {
            k[i + 4] = k[i] ^ CalciRK(k[i + 1] ^ k[i + 2] ^ k[i + 3] ^ CK[i]);
            SK[i] = k[i + 4];
        }
    }

    static void OneRound(unsigned long sk[32], const unsigned char input[16], unsigned char output[16]) {
        unsigned long i = 0;
        unsigned long ulbuf[36];
        memset(ulbuf, 0, sizeof(ulbuf));
        GET_ULONG_BE(ulbuf[0], input, 0);
        GET_ULONG_BE(ulbuf[1], input, 4);
        GET_ULONG_BE(ulbuf[2], input, 8);
        GET_ULONG_BE(ulbuf[3], input, 12);
        while (i < 32) {
            ulbuf[i + 4] = RoundF(ulbuf[i], ulbuf[i + 1], ulbuf[i + 2], ulbuf[i + 3], sk[i]);
            i++;
        }
        PUT_ULONG_BE(ulbuf[35], output, 0);
        PUT_ULONG_BE(ulbuf[34], output, 4);
        PUT_ULONG_BE(ulbuf[33], output, 8);
        PUT_ULONG_BE(ulbuf[32], output, 12);
    }

    static unsigned long CalciRK(unsigned long ka) {
        unsigned long bb = 0;
        unsigned long rk = 0;
        unsigned char a[4];
        unsigned char b[4];
        PUT_ULONG_BE(ka, a, 0);
        b[0] = SBox(a[0]);
        b[1] = SBox(a[1]);
        b[2] = SBox(a[2]);
        b[3] = SBox(a[3]);
        GET_ULONG_BE(bb, b, 0);
        rk = bb ^ (ROTL(bb, 13)) ^ (ROTL(bb, 23));
        return rk;
    }

    /// <summary>
    /// 8 位输入输出的非线性置换，增强混淆性
    /// </summary>
    /// <param name="inch"></param>
    /// <returns></returns>
    static unsigned char SBox(unsigned char inch) {
        unsigned char* pTable = (unsigned char*)SboxTable;
        unsigned char retVal = (unsigned char)(pTable[inch]);
        return retVal;
    }

    /// <summary>
    /// 线性扩散层，通过循环移位和异或操作扩散比特。
    /// </summary>
    /// <param name="ka"></param>
    /// <returns></returns>
    static unsigned long Linear(unsigned long ka) {
        unsigned long bb = 0;
        unsigned long c = 0;
        unsigned char a[4];
        unsigned char b[4];
        PUT_ULONG_BE(ka, a, 0);
        b[0] = SBox(a[0]);
        b[1] = SBox(a[1]);
        b[2] = SBox(a[2]);
        b[3] = SBox(a[3]);
        GET_ULONG_BE(bb, b, 0);
        c = bb ^ (ROTL(bb, 2)) ^ (ROTL(bb, 10)) ^ (ROTL(bb, 18)) ^ (ROTL(bb, 24));
        return c;
    }

    static unsigned long RoundF(unsigned long x0, unsigned long x1, unsigned long x2, unsigned long x3, unsigned long rk) {
        return (x0 ^ Linear(x1 ^ x2 ^ x3 ^ rk));
    }
};
#endif

代码分析说明

1. 头文件与宏定义
   • 使用 #ifndef 防止重复包含。
   • 定义了大端序转换宏 GET_ULONG_BE 和 PUT_ULONG_BE，用于字节与 32 位无符号整数的转换。
   • 定义位操作宏 SHL（左移）、ROTL（循环左移）和 SWAP（交换变量）。
2. 核心组件
   • S 盒（SboxTable）：16×16 的字节替换表，用于非线性变换。
   • 固定参数：FK（初始密钥扩展常量）和 CK（轮密钥生成常量）。
   • 轮函数与密钥扩展：通过 sm4Lt、sm4F、sm4CalciRK 等函数实现。
3. 功能函数
   • SetKey：生成 32 轮加密密钥。
   • OneRound：单轮加密/解密操作。
   • Enc和Dec：实现 CBC 模式的分组处理。
4. CBC 模式实现
   • 加密：
     1. 填充数据到 16 字节倍数（PKCS#7 填充）。
     2. 每块与前一块密文（或 IV）异或后加密。
   • 解密：
     1. 解密后与前一密文块（或 IV）异或。
     2. 移除填充，末尾置零。
5. 跨平台兼容性
   • 通过宏定义处理大端序，确保不同平台数据一致性。

5.2 单元测试

// 测试代码
void Test_SM4() {
    const char* pMsg = "Hello, World，I love 中国.";
    unsigned char key[17] = {1,2,3,4,5,6,7,8,'A','B','C','D','E','F','G','H',0};
    unsigned char ciphertext[256] = {0};
    unsigned char iv[16] = {0};
    size_t out_len = strlen(pMsg);
    SM4::Enc((unsigned char*)pMsg, ciphertext, out_len, iv, key);
    printf("明文数据:%d,%s\n加密结果:%d,", (int)strlen(pMsg), pMsg, (int)out_len);
    for (size_t i = 0; i < out_len; i++) {
        printf("%02X ", ciphertext[i]);
    }
    printf("\n");
    unsigned char text[256] = {0};
    size_t text_len = out_len;
    memset(iv, 0, sizeof(iv));
    SM4::Dec((unsigned char*)ciphertext, text, text_len, iv, key);
    text[text_len] = '\0';
    printf("解密结果:%d,%s", (int)text_len, text);
}

示例中对 Hello, World，I love 中国.分别进行了 SM4 的加密和解密。

5.2 测试结果

明文数据:26,Hello, World，I love 中国.
加密结果:32,9F 0C D6 19 50 33 2F DB 4B 29 10 8E 42 AE 03 C8 01 CB 04 7C 8B 80 E3 C6 B0 22 AF 6D A2 2E 52 67
解密结果:26,Hello, World，I love 中国.