Python实现SM4加解密算法

标签：加密 Python SM4 加解密 解密 算法 密钥

目录

• • • SM4算法简介
    • SM4算法的加密和解密流程
    • SM4算法的Python实现
    • 代码解释
    • 总结

SM4算法是中国国家密码局设计的块密码算法，广泛应用于无线局域网标准和其他安全通信系统中。以下是SM4算法的详细介绍，包括加密解密流程和Python的完整实现。

SM4算法简介

SM4是一种对称分组密码算法，每次操作128位数据块，密钥长度也为128位。SM4算法结构基于Feistel网络，拥有32轮加密和解密过程。主要包括密钥扩展、S盒替换、线性变换、轮密钥异或等步骤。

SM4算法的加密和解密流程

1. 密钥扩展：生成轮密钥，共32个，用于每轮的加密或解密操作。
2. 初始轮密钥异或：将输入的数据块与初始密钥异或。
3. 32轮迭代：包括S盒替换、线性变换和轮密钥异或。
4. 输出反序：最终的输出数据经过反序后得到密文或明文。

SM4算法的Python实现

以下是SM4算法的完整Python代码实现，涵盖了密钥扩展、加密、和解密的过程。

# S盒，用于字节替换
S_BOX = [
    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
]

# 轮常数，用于密钥扩展
FK = [0xa3b1bac6, 0x56aa3350, 0x677d9197, 0xb27022dc]

# 固定参数，用于轮密钥生成
CK = [
    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
]

def byte_sub(byte):
    """S盒字节替换"""
    return S_BOX[byte]

def l_transformation(b):
    """线性变换"""
    return b ^ (b << 2) ^ (b << 10) ^ (b << 18) ^ (b << 24)

def t_function(x):
    """T函数，包括S盒替换和线

性变换"""
    b = byte_sub((x >> 24) & 0xFF) << 24 | \
        byte_sub((x >> 16) & 0xFF) << 16 | \
        byte_sub((x >> 8) & 0xFF) << 8 | \
        byte_sub(x & 0xFF)
    return l_transformation(b)

def key_expansion(key):
    """密钥扩展生成32轮密钥"""
    K = [key[i] ^ FK[i] for i in range(4)]
    rk = []
    for i in range(32):
        temp = K[i] ^ t_function(K[i + 1] ^ K[i + 2] ^ K[i + 3] ^ CK[i])
        rk.append(temp)
        K.append(temp)
    return rk

def sm4_encrypt_block(plaintext, key):
    """SM4单块加密"""
    rk = key_expansion(key)
    X = plaintext.copy()
    for i in range(32):
        temp = X[i] ^ t_function(X[i + 1] ^ X[i + 2] ^ X[i + 3] ^ rk[i])
        X.append(temp)
    return X[35:31:-1]  # 反序输出

def sm4_decrypt_block(ciphertext, key):
    """SM4单块解密"""
    rk = key_expansion(key)[::-1]  # 轮密钥反序
    X = ciphertext.copy()
    for i in range(32):
        temp = X[i] ^ t_function(X[i + 1] ^ X[i + 2] ^ X[i + 3] ^ rk[i])
        X.append(temp)
    return X[35:31:-1]  # 反序输出

# 示例使用
plaintext = [0x01234567, 0x89abcdef, 0xfedcba98, 0x76543210]
key = [0x01234567, 0x89abcdef, 0xfedcba98, 0x76543210]

ciphertext = sm4_encrypt_block(plaintext, key)
print(f"加密后的密文: {ciphertext}")

decrypted_text = sm4_decrypt_block(ciphertext, key)
print(f"解密后的明文: {decrypted_text}")

代码解释

1. S_BOX：用于字节替换的非线性变换表。
2. 密钥扩展：使用主密钥生成32轮子密钥。
3. 加密和解密流程：根据不同轮密钥进行逐轮操作。

总结

SM4算法是一种高效的对称加密算法，在信息安全领域有着广泛应用。上述Python代码实现了SM4算法的加密和解密过程，可以帮助更深入理解其原理和应用。

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