【原创】最简单的通过C语言实现国密SM4算法(无指针无结构体,最浅显易懂)

按照剧本来说,应该更新pwm的,但是调频率那里出现了问题,再加上马上有个比赛要调GSM,所以我决定把pwm再鸽亿鸽,下一篇更新GSM。

PS:不是像其他博主一样从官网例程上扒下来的啊,这是自己写完自己讲,前言

  • 一、术语解析
  • 二、实现SM4
  • 总结

  • 前言

    SM4.0 (原名SMS4.0)是 中华人民共和国政府 采用的一种 分组密码 标准,SM4主要用于 数据加密 ,其算法公开,分组长度与密钥长度均为128bit, 加密算法 与密钥扩展算法都采用32轮非线性迭代结构, S盒 为固定的8比特输入8比特输出。

    吧啦吧啦一大段,其实就是一个小小的加密算法罢了。我们只需要知道它是一个分组算法,分组长度为128比特,秘钥长度为128比特。加密算法与扩展秘钥算法都采用32轮非线性迭代结构。


    一、术语解析

    1.S盒

    S盒为固定的8比特输入8比特输出的置换,记为Sbox(.)。

    2.基本运算

    在本算法中采用了以下基本运算:
    ⊕ 32比特异或
    <<<i 32比特循环左移i位

    3.密钥及密钥参量

    加密密钥长度为128比特,表示为MK=(MK0, MK1, MK2, MK3),其中MKi(i=0,1,2,3)为字。
    轮密钥表示为(rk0, rk1, …, rk31),其中rki(i=0,…,31)为字。轮密钥由加密密钥生成。
    FK=(FK0, FK1, FK2, FK3)为系统参数,CK=(CK0, CK1,…, CK31)为固定参数,用于密钥扩展算法,其中FKi(i=0,…,3)、CKi(i=0,…,31)为字。

    4.太多了不想写了,自己在网上搜索吧

    http://www.gb688.cn/bzgk/gb/newGbInfo?hcno=7803DE42D3BC5E80B0C3E5D8E873D56A

    二、实现SM4

    相信大家看完pdf后都有点自己的想法,可以先自己尝试着写写,最后再来看看我的写法

    先用静态变量引入系统参数(S盒,CK,FK):

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

    因为我们不用指针和结构体,那么我们直接生成连个全局变量记录轮秘钥rk和plain明文来调用

    long rk[32]; long plain[4]; 

    我们先来写这个32比特循环左移i位,区分<<
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    unsigned long Change_Place(unsigned long In,int Num) { 	long temp; 	temp = (In << Num) | (In >> (32-Num)); 	return temp;	 } 

    简单明了,入口参数就是需要循环异或的数我用了long正好是32位,注意了,这里一定要加上unsigned,证明它是无符号的。否则就会出现这样的状况:当最高位是1的时候,系统就会认为是负数,这样就会出大问题。

    根据SM算法的意思,我们应该把明文分成4组合成4个32位的秘钥MK
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    那么我们再写一个生成MK的函数

    unsigned long chang_place1(unsigned long in1,unsigned long in2,unsigned long in3,unsigned long in4) { 	long temp = 0; 	temp =(in1 << 24) | (in2 << 16) | (in3 << 8) | in4 ; 	return temp; }  

    简单得都不知道该怎样解释了。。。我们核心步骤是要求出rk轮秘钥。
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    那么我们就得先生成4个k

    	for(i=0;i<4;i++) 	{ 		k[i] = MK[i] ^ (FK[i]); 	} 

    我们看到,生成rk需要T’变换,而T’变换需要L’变换,而L’变换的入口参数是t返回值,那我们先写一个t变换,也就是查S盒:

    unsigned int TransSbox(unsigned int temp) { 	return Sbox[temp>>4][temp&0xf]; } 

    问题又出现了啊,这里查s盒用的是int,也就是高4位和低四位代表了行和列。可是我们MK秘钥是long型的,怎样才能输入进去呢?
    所以我们再写一个转换的函数:

    unsigned long TransSboxl(unsigned long In) { 	long temp = 0; 	temp |= (unsigned long)TransSbox((unsigned int)(In >> 24) & 0xff); 	temp <<= 8; 	temp |= (unsigned long)TransSbox((unsigned int)(In >> 16) & 0xff); 	temp <<= 8; 	temp |= (unsigned long)TransSbox((unsigned int)(In >> 8) & 0xff); 	temp <<= 8; 	temp |= (unsigned long)TransSbox((unsigned int)In & 0xff); 	return temp; } 

    我们把输入的32位先向右移24位,然后强制转换成int类型,取低八位,这样就能从S盒中找到转换出来的数了,接着再把int转换成long型,向左移8位,位下一次的找S盒留出位置。总共进行4次,这样我们就把一个32位MK的4个S盒找完了。

    看到这里我建议大家先停一停,仔细思考思考这一步。

    好了,接下来就可以写L’变换了
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    unsigned long TransL_1 (unsigned long temp) { 	return temp ^ Change_Place(temp, 13) ^ Change_Place(temp, 23); } 

    接下来就能直接写T’变换了

    unsigned long TransT_1(unsigned long temp) { 	return TransL_1(TransSboxl(temp)); } 

    简简单单,那么我后文就直接吧T变换拿出来了,因为T变换和T’变换原理是差不多的。

    写到这里,我们核心步骤rk就能求出来了:

    unsigned long KeyExp(unsigned long MK[4]) { 	int i=0; 	long k[4]; 	 	for(i=0;i<4;i++) 	{ 		k[i] = MK[i] ^ (FK[i]); 	} 	 	rk[0] = k[0]^TransT_1(k[1] ^ k[2] ^ k[3] ^ CK[0]); 	rk[1] = k[1]^TransT_1(k[2] ^ k[3] ^ rk[0] ^ CK[1]); 	rk[2] = k[2]^TransT_1(k[3] ^ rk[0] ^ rk[1] ^ CK[2]); 	rk[3] = k[3]^TransT_1(rk[0] ^ rk[1] ^ rk[2] ^ CK[3]); 	 	for(i=4;i<32;i++) 	{ 	rk[i] = rk[i-4]^TransT_1(rk[i-3] ^ rk[i-2] ^ rk[i-1] ^ CK[i]);		 	} 	 } 

    接下来就可以进行加密运算(解密我就不写了,只需要把轮秘钥顺序换一下就行了,大家可以当做练习)
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    我们是不是轮函数还没写?得到轮函数的入口参数需要一次T变换,那我们直接拿出T变换:

    unsigned long TransT(unsigned long temp) { 	return TransL(TransSboxl(temp)); } 
    unsigned long TransL (unsigned long temp) { 	return temp ^ Change_Place(temp, 2) ^ Change_Place(temp, 10) ^ Change_Place(temp, 18) ^ Change_Place(temp, 24) ; } 

    好了这样我们就拥有F轮函数的入口参数了,直接写轮函数:

    unsigned long F(unsigned long X0,unsigned long X1,unsigned long X2,unsigned long X3,unsigned long rk) { 	return X0 ^ TransT(X1^X2^X3^rk); } 

    接下来的工作就是进行32轮运算,得出最后四个,然后换位置。

    	for(i=0;i<32;i++) 	{ 		temp = F(plain[0],plain[1],plain[2],plain[3],rk[i]); 		plain[0]=plain[1]; 		plain[1]=plain[2]; 		plain[2]=plain[3]; 		plain[3]=temp; 		printf("X%d=%xn",i,temp); 	} 	 	temp = plain[0]; 	plain[0] = plain[3]; 	plain[3] = temp; 	temp = plain[1]; 	plain[1] = plain[2]; 	plain[2] = temp; 

    所以加密的算法就写出来了:

    unsigned long get_sm4(unsigned long x[4],unsigned long MK[4]) { 	long temp; 	int i; 	KeyExp(MK); 	 	printf("rk:n"); 	for(i=0;i<32;i++) 	{ 		printf("rk%d = %xn",i,rk[i]); 	} 	 	for(i=0;i<4;i++) 	{ 		plain[i] = x[i]; 	} 	 	for(i=0;i<32;i++) 	{ 		temp = F(plain[0],plain[1],plain[2],plain[3],rk[i]); 		plain[0]=plain[1]; 		plain[1]=plain[2]; 		plain[2]=plain[3]; 		plain[3]=temp; 		printf("X%d=%xn",i,temp); 	} 	 	temp = plain[0]; 	plain[0] = plain[3]; 	plain[3] = temp; 	temp = plain[1]; 	plain[1] = plain[2]; 	plain[2] = temp; 	 }  

    写我们的主函数

    int main()  { 	int i; 	long stringkey[]={0x01,0x23,0x45,0x67, 					  0x89,0xab,0xcd,0xef, 					  0xfe,0xdc,0xba,0x98, 					  0x76,0x54,0x32,0x10}; 	long MK[4]; 	long Pln[4]; 	long temp[4]; 	 	MK[0]=chang_place1(stringkey[0],stringkey[1],stringkey[2],stringkey[3]); 	MK[1]=chang_place1(stringkey[4],stringkey[5],stringkey[6],stringkey[7]); 	MK[2]=chang_place1(stringkey[8],stringkey[9],stringkey[10],stringkey[11]); 	MK[3]=chang_place1(stringkey[12],stringkey[13],stringkey[14],stringkey[15]); 	 	printf("明文为n"); 	for(i=0;i<4;i++) 	{ 		Pln[i]=MK[i]; 		printf("%xn",MK[i]); 	} 	 get_sm4(Pln,MK); 	 	printf("密文为n%xn%xn%xn%x",plain[0],plain[1],plain[2],plain[3]); } 

    总结

    网上大多例程都是运用指针,而指针对于学习来说就太离谱了,可读性极低。刚好我们实验室考核就是SM4国密算法,那么我就将我这比较容易懂的写法分享给大家。这个思维就像是我直接奔着目标加密去,过程中需要什么,我就补上什么,比如想要T变换就得L变换,而L变换的入口参数是t变换的返回值,所以我就明白了,我需要先补上t变换,然后写出L变换,就能得到我想要的T变换了。
    这种思维对于写程序来说,我认为是很好的,但是缺点也显而易见——读程序的人就不好懂了,因为他不明白写T转换为什么一下子就跳到了t转换。所以写完之后得再整理整理,才能够算是完成了这个工程。