國密SM4算法

與DES和AES算法相似，國密SM4算法是一種分組加密算法。SM4分組密碼算法是一種迭代分組密碼算法，由加解密算法和密鑰擴展算法組成。

SM4是一種Feistel結構的分組密碼算法，其分組長度和密鑰長度均為128bits。加密算法和密鑰擴展算法迭代輪數均為32輪。SM4加解密過程的算法相同但是輪密鑰的使用順序相反。

SM4密碼算法使用模2加和循環移位作為基本運算。

密鑰擴展算法：SM4算法使用128位的加密密鑰，並采用32輪迭代加密結構，每一輪加密使用一個32位的輪密鑰，總共使用32個輪密鑰。因此需要使用密鑰擴展算法，從加密密鑰中產生32個輪密鑰。

SM4加解密流程

SM4算法的加密大致流程如下：

密鑰：加密密鑰的長度為128比特，表示為MK = (MK₀, MK₁, MK₂, MK₃)，其中MK_i為32位，輪密鑰表示為(rk₀, rk₁, ……, rk₃₁)，其中rk_i為32位。

輪函數F：假設輸入為(X₀, X₁, X₂, X₃)，X_i 為32位，則輪函數F為：F=(X₀, X₁, X₂, X₃, rk) = X₀ ⊕ T(X₁ ⊕ X₂ ⊕ X₃ ⊕ rk)

合成置換：T函數是一個可逆變換，由一個非線性變換r和線性變換L復合而成的，即T( )=L(r( ))

非線性變換有四個並行的S盒構成的，設輸入為A=(a₀, a₁, a₂, a₃)，輸出為B=(b₀, b₁, b₂, b₃)，其中a_i和b_i為8位。每個S盒的輸入都是一個8位的字節，將這8位的前四位對應的16進制數作為行編號，后四位對應的16進制數作為列編號，然后用相應位置中的字節代替輸入的字節。下圖為S盒置換表：

 

線性變換L：線形變換的輸入就是S盒的輸出，即C=L(B)=B ⊕ (B<<<2) ⊕ (B<<<10) ⊕ (B<<<18) ⊕ (B<<<24)，線性變換的輸入和輸出都是32位的。

經過了32輪的迭代運算后，最后再進行一次反序變換即可得到加密的密文，即密文C=(Y₀, Y₁, Y₂, Y₃)=R(X₃₂. X₃₃, X₃₄, X₃₅)=(X₃₅, X₃₄, X₃₃, X₃₂)。

SM4算法的解密流程和加密流程一致，只不過輪密鑰的使用順序變成了(rk₃₁, rk₃₀, ……, rk₀)

密鑰擴展算法

密鑰參量：輪密鑰由加密密鑰生成。FK=(FK₀, FK₁, FK₂, FK₃)為系統參數，以及固定參數CK=(CK_0, CK₁, ……,  CK₃₁)，其中FK_i和CK_i均為32位並用於密鑰擴展算法。

系統參數FK的具體取值如下：

FK₀=(A3B1BAC6), FK₁=(56AA3350), FK₂=(677D9197), FK₃=(B27022DC)

固定參數CK的具體取值如下：

密鑰擴展方法：設(K₀, K₁, K₂, K₃)=(MK₀⊕FK₀, MK₁⊕FK₁, MK₂⊕FK₂, MK₃⊕FK₃)

則rk_i=K_i+4=K_i⊕T‘(K_i+1⊕K_i+2⊕K_i+3⊕CK_i)

其中T’()是將原來的T()中的線形變換L()替換成L'(B)=B⊕(B<<<13)⊕(B<<<23)