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1、无线局域网产品使用的 SMS4 密码算法 无线局域网产品使用的 SMS4 密码算法 本算法是一个分组算法。该算法的分组长度为 128 比特，密钥长度为 128 比特。加密算 法与密钥扩展算法都采用 32 轮非线性迭代结构。解密算法与加密算法的结构相同，只是轮 密钥的使用顺序相反，解密轮密钥是加密轮密钥的逆序。 1.1. 术语说明 术语说明 1.11.1 字与字节 字与字节 用表示 e-比特的向量集，中的元素称为字，中的元素称为字节。 e Z2 32 2 Z 8 2 Z 1.21.2 S 盒 S 盒 S 盒为固定的 8 比特输入 8 比特输出的置换，记为 Sbox(.)。 1.31.3 基本运算
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 1.41.4 密钥及密钥参量 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。 2.2. 轮函数 F 轮函数 F 本算法采用非
3、线性迭代结构，以字为单位进行加密运算，称一次迭代运算为一轮变换。 设输入为，轮密钥为，则轮函数 F 为： 432 23210 )(),(ZXXXX 32 2 Zrk )(),( 32103210 rkXXXTXrkXXXXF= 1 2.12.1 合成置换 T 合成置换 T T：， 是一个可逆变换， 由非线性变换 和线性变换 L 复合而成,即 T(.)=L(.)。 32 2 32 2 ZZ 2.1.1 非线性变换 2.1.1 非线性变换 由 4 个并行的 S 盒构成。 设输入为, 输出为,则 48 23210 )(),(ZaaaaA= 48 23210 )(),(ZbbbbB= )(),(),(
4、),()(),( 32103210 aSboxaSboxaSboxaSboxAbbbb= 2.1.2 线性变换 L 2.1.2 线性变换 L 非线性变换 的输出是线性变换 L 的输入。设输入为，输出为，则 32 2 ZB 32 2 ZC )24()18()10()2()(=BBBBBBLC 2.22.2 S 盒 S 盒 S 盒中数据均采用 16 进制表示。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f 0 d6 90 e9 fe cc e1 3db716b614c2 28 fb 2c 05 1 2b 67 9a 76 2a be 04c3 aa 44132649 86 06
5、99 2 9c 42 50f4 91 ef 987a 33540b43ed cf ac 62 3 e4 b3 1c a9 c9 08e8 9580df 94fa 75 8f 3f a6 4 47 07 a7 fc f3 7317ba 83593c 19e6 85 4f a8 5 68 6b 81b2 71 64da 8bf8 eb 0f 4b70 56 9d 35 6 1e 24 0e 5e 63 58d1a2 25227c 3b01 21 78 87 7 d4 00 4657 9f d327524c 3602e7 a0 c4 c8 9e 8 ea bf 8a d2 40 c7 38b5a3
6、f7 f2 ce f9 61 15 a1 9 e0 ae 5da4 9b 341a 55ad 933230f5 8c b1 e3 a 1d f6 e2 2e 82 66ca 60c0 2923ab 0d 53 4e 6f b d5 db 3745 de fd 8e 2f 03ff 6a 726d 6c 5b 51 c 8d 1b af 92 bb ddbc 7f 11 d95c 411f 10 5a d8 d 0a c1 3188 a5 cd 7bbd2d74d012b8 e5 b4 b0 e 89 69 974a 0c 96777e 65b9f1 09c5 6e c6 84 f 18 f0
7、7dec 3a dc 4d2079ee 5f 3e d7 cb 39 48 例：输入ef，则经 S 盒后的值为表中第 e 行和第 f 列的值，Sbox(ef)= 84。 2 3.3. 加/解密算法 加/解密算法 定义反序变换 R 为： ),(),( 01233210 AAAAAAAAR= ，。 3 , 2 , 1 , 0, 32 2 =iZAi 设明文输入为，密文输出为，轮密钥 为。则本算法的加密变换为： 432 23210 )(),(ZXXXX 432 23210 )(),(ZYYYY 31,.,2 , 1 , 0, 32 2 =iZrki . 13,.,1 , 0, )(),( 32132
8、14 = + irkXXXTXrkXXXXFX iiiiiiiiiii ),(),(),( 32333435353433323210 XXXXXXXXRYYYY= 。 本算法的解密变换与加密变换结构相同，不同的仅是轮密钥的使用顺序。 加密时轮密钥的使用顺序为： （rk0, rk1, , rk31） 解密时轮密钥的使用顺序为： （rk31, rk30, , rk0） 4.4. 密钥扩展算法 密钥扩展算法 本算法中加密算法的轮密钥由加密密钥通过密钥扩展算法生成。 加密密钥MK=(MK0, MK1, MK2, MK3)，MKi，i0,1,2,3； 32 2 Z 令Ki，i0,1,35，轮密钥为，则轮
9、密钥生成方法为： 32 2 Z31,.,1 ,0, 32 2 =iZrk i 首先，(K0,K1,K2,K3)=(MK0 + FK0,MK1 + FK1,MK2 + FK2,MK3 + FK3) 然后，对： 31,.,2, 1 ,0=i )( 3214iiiiiii CKKKKTKKrk= + 说明： （1） T变换与加密算函数中的 T 基本相同， 只将其中的线性变换 L 修改为以下： L L(B)=B + (B13) + (B23)； （2）系统参数 FK 的取值，采用 16 进制表示为： FK0=(A3B1BAC6)，FK1=(56AA3350)，FK2=(677D9197)，FK3=(B
10、27022DC) （3）固定参数 CK 的取值方法为： 设cki,j为CKi的第j字节 （i=0,1,31； j=0,1,2,3） ， 即CKi = (cki,0， cki,1， cki,2， cki,3) ， 则ck 48 2) (Z i,j = (4i+j)7（mod 256） 。32 个固定参数CKi，其 16 进制表示为： 00070e15, 1c232a31, 383f464d, 545b6269, 70777e85, 8c939aa1, a8afb6bd, c4cbd2d9, e0e7eef5, fc030a11, 181f262d, 343b4249, 50575e65, 6c7
11、37a81, 888f969d, a4abb2b9, c0c7ced5, dce3eaf1, f8ff060d, 141b2229, 30373e45, 4c535a61, 686f767d, 848b9299, a0a7aeb5, bcc3cad1, d8dfe6ed, f4fb0209, 10171e25, 2c333a41, 484f565d, 646b7279 3 5.5. 加密实例 加密实例 以下为本算法 ECB 工作方式的运算实例，用以验证密码算法实现的正确性。其中，数 据采用 16 进制表示。 实例一：实例一：对一组明文用密钥加密一次 明 文:明 文: 01 23 45 67 8
12、9 ab cd ef fe dc ba 98 76 54 32 10 加密密钥加密密钥: 01 23 45 67 89 ab cd ef fe dc ba 98 76 54 32 10 轮密钥与每轮输出状态轮密钥与每轮输出状态： rk 0 = f12186f9 X 0 = 27fad345 rk 1 = 41662b61 X 1 = a18b4cb2 rk 2 = 5a6ab19a X 2 = 11c1e22a rk 3 = 7ba92077 X 3 = cc13e2ee rk 4 = 367360f4 X 4 = f87c5bd5 rk 5 = 776a0c61 X 5 = 33220757
13、 rk 6 = b6bb89b3 X 6 = 77f4c297 rk 7 = 24763151 X 7 = 7a96f2eb rk 8 = a520307c X 8 = 27dac07f rk 9 = b7584dbd X 9 = 42dd0f19 rk10 = c30753ed X10 = b8a5da02 rk11 = 7ee55b57 X11 = 907127fa rk12 = 6988608c X12 = 8b952b83 rk13 = 30d895b7 X13 = d42b7c59 rk14 = 44ba14af X14 = 2ffc5831 rk15 = 104495a1 X15
14、= f69e6888 rk16 = d120b428 X16 = af2432c4 rk17 = 73b55fa3 X17 = ed1ec85e rk18 = cc874966 X18 = 55a3ba22 rk19 = 92244439 X19 = 124b18aa rk20 = e89e641f X20 = 6ae7725f rk21 = 98ca015a X21 = f4cba1f9 rk22 = c7159060 X22 = 1dcdfa10 rk23 = 99e1fd2e X23 = 2ff60603 rk24 = b79bd80c X24 = eff24fdc rk25 = 1d2
15、115b0 X25 = 6fe46b75 rk26 = 0e228aeb X26 = 893450ad rk27 = f1780c81 X27 = 7b938f4c rk28 = 428d3654 X28 = 536e4246 rk29 = 62293496 X29 = 86b3e94f rk30 = 01cf72e5 X30 = d206965e rk31 = 9124a012 X31 = 681edf34 密文密文: 68 1e df 34 d2 06 96 5e 86 b3 e9 4f 53 6e 42 46 实例二：实例二：利用相同加密密钥对一组明文反复加密 1000000 次 明 文:明 文: 01 23 45 67 89 ab cd ef fe dc ba 98 76 54 32 10 加密密钥加密密钥: 01 23 45 67 89 ab cd ef fe dc ba 98 76 54 32 10 密 文密 文: 59 52 98 c7 c6 fd 27 1f 04 02 f8 04 c3 3d 3f 66 4
