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crypto系列7-国产对称算法SM4

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SM4算法：中国国家密码局对称标准详解

SM4算法是中国自主设计的分组密码算法，主要用于数据加密保护，是国家密码标准（GB/T 32907-2016）的核心组成部分。

一、SM4算法核心特性

  1. 算法类型：属于分组密码，采用Feistel结构（轮函数迭代），加密和解密过程结构相同，仅轮密钥使用顺序相反。
  2. 核心参数：
    • 分组长度：固定为128位，即每次处理16字节的数据。
    • 密钥长度：固定为128位，确保高强度加密。
    • 迭代轮数：共32轮，每轮通过S盒（非线性变换）和线性变换实现数据混淆与扩散。
  3. 安全等级：能有效抵抗差分攻击、线性攻击、代数攻击等主流密码分析方法，经国家密码管理局认证，可满足政务、金融等关键领域的安全需求。

二、SM4算法实现

SM4算法流程基于Feistel结构，核心分为密钥扩展和数据加密/解密两部分，加密与解密流程结构完全一致，仅轮密钥使用顺序相反。

A、核心前提：轮密钥扩展

128位初始密钥需先生成32个128位的轮密钥（rk0-rk31），供32轮迭代使用，步骤如下：

  1. 初始准备：将128位初始密钥拆分为4个32位字（K0-K3），与4个固定的32位系统参数（FK0-FK3）分别异或，得到初始密钥字（K4-K7）。
  2. 迭代生成轮密钥：从K8开始，每生成1个密钥字需经过3步：
    • 对前1个密钥字（如K7）进行循环左移、S盒非线性变换、异或固定参数（CK）的复合操作，得到临时值t。
    • 将t与前4个密钥字（如K4）异或，得到新密钥字（如K8）。
    • 重复此过程，直至生成K4-K39，其中K8-K39即为32个轮密钥（rk0-rk31）。

B、数据加密流程（128位明文→128位密文）

  1. 初始变换（IP）：将128位明文拆分为4个32位字（X0-X3），与第1个轮密钥rk0结合，进入首轮迭代。
  2. 32轮迭代（Feistel结构）：每轮迭代对4个输入字（Xi-Xi+3）执行固定操作：
    • 对Xi+3进行循环左移、S盒变换、线性变换的复合操作，得到中间值F。
    • 将F与Xi、轮密钥rki异或，得到新字Xi+4。
    • 4个输入字依次右移（Xi+1→Xi，Xi+2→Xi+1，Xi+3→Xi+2，Xi+4→Xi+3），进入下一轮。
  3. 逆初始变换（IP⁻¹）：32轮迭代结束后，将最终4个输出字（X32-X35）按X35、X34、X33、X32的顺序拼接，得到128位密文。

C、数据解密流程（128位密文→128位明文）

解密流程与加密流程结构完全相同，唯一区别是轮密钥的使用顺序相反：

  • 加密时按rk0→rk1→…→rk31的顺序使用轮密钥。
  • 解密时按rk31→rk30→…→rk0的顺序使用轮密钥。

三、安全性分析

  1. 密钥空间：128位密钥提供2^128种可能，远超暴力破解的计算能力（需约10^38年）。
  2. 抗攻击能力：
    • 差分攻击：最佳差分路径概率≤2^-126，需2^126次选择明文攻击，实际不可行。
    • 线性攻击：线性逼近概率≤2^-64，攻击复杂度超过2^128。
    • 侧信道攻击：硬件实现中通过冗余塔域（RTF）等技术防护，例如将S盒运算映射到AES的冗余塔域框架，降低功耗泄露风险。
  3. 国际认证：2021年成为ISO/IEC国际标准（ISO/IEC 18033-3:2021/AMD1:2021），表明其设计通过国际密码学界审查。

四、与AES的对比

特性 SM4 AES-128
结构 非平衡Feistel网络，32轮 SPN结构，10轮
S盒设计 自主构造的8×8置换表 GF(2⁸)求逆+仿射变换
扩散机制 线性变换L（循环移位+异或） 列混淆（MixColumns）矩阵乘法
密钥扩展 与加密流程相似，生成32个轮密钥 独立密钥扩展算法，生成11个轮密钥
硬件优化 边扩展边加密，节省存储资源 流水线架构，侧重吞吐率
安全性 抗差分/线性攻击能力与AES相当 抗代数攻击能力更强

SM4在资源受限设备（如物联网传感器）上表现更优，而AES在通用计算平台上性能略高。

五、应用场景

  1. 金融领域：银行卡交易加密、移动支付安全（如中国银联的SM4-GCM标准）。
  2. 政务通信：公文传输加密、电子证照保护。
  3. 物联网：智能家居设备间的通信加密（如华为鸿蒙系统的SM4集成）。
  4. VPN与云安全：虚拟专用网络数据加密、云端存储敏感字段保护。

六、总结

SM4算法通过S盒非线性混淆、线性变换全局扩散和密钥扩展的伪随机性，实现了高效且安全的对称加密。其设计既符合国际密码学标准，又满足国产化替代需求，在政务、金融、物联网等关键领域发挥核心作用。随着量子计算技术的发展，SM4的后量子安全性优化（如融合格密码）成为未来研究重点，但目前其128位密钥和32轮迭代足以抵御现有攻击手段。

SM4 算法处理固定长度为 128 位（16 字节）的数据块，使用 128 位（16 字节）的密钥。在实际应用中，对于长度超过 128 位的数据，需要使用分组密码的工作模式（如 CBC、CTR 等）进行处理。

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SM4算法配合不同模式用于具体的场景，比如IPSec的国密场景CBC(SM4)+SM3， 磁盘加密的XTS（SM4），NTLS（国密传输层安全协议）加密的GCM(SM4)等。

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