Python实现SM4

介绍

SM4是一种对称加密算法，也被称为国家商用密码算法。它是中国国家密码管理局发布的一种块加密算法，被广泛应用于电子商务、电子数据交换等领域。本文将介绍如何使用Python实现SM4算法。

算法原理

SM4算法采用了分组密码的设计思路，将明文按照固定长度进行分组，然后对每个分组进行加密。SM4算法的核心是一个非线性的S盒，通过对分组中的每个字节进行代换和置换操作，实现数据的混淆。

SM4算法的加密过程如下：

  1. 初始化算法参数，包括密钥、轮密钥和初始向量等。
  2. 将明文分组进行初始置换。
  3. 进行若干轮的代换和置换操作，每轮都使用不同的轮密钥。
  4. 进行最后一轮的代换操作。
  5. 进行逆初始置换，得到密文。

Python实现

下面是一个使用Python实现SM4算法的代码示例：

import numpy as np

# S盒
SBOX = np.array([
    [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],
    # ...
])

# 轮常数
FK = np.array([0xA3B1BAC6, 0x56AA3350, 0x677D9197, 0xB27022DC])

# 轮密钥
CK = np.array([
    0x00070E15, 0x1C232A31, 0x383F464D, 0x545B6269, 0x70777E85, 0x8C939AA1, 0xA8AFB6BD, 0xC4CBD2D9,
    0xE0E7EEF5, 0xFC030A11, 0x181F262D, 0x343B4249, 0x50575E65, 0x6C737A81, 0x888F969D, 0xA4ABB2B9,
    # ...
])

# 系统参数
SM4_T = 32

# 置换表
SM4_X = np.array([
    0x00000000, 0x00000008, 0x00000010, 0x00000018, 0x00000020, 0x00000028, 0x00000030, 0x00000038,
    0x00000040, 0x00000048, 0x00000050, 0x00000058, 0x00000060, 0x00000068, 0x00000070, 0x00000078,
    # ...
])

def sm4_round(x):
    t = np.bitwise_xor(x, FK[0])
    for i in range(32):
        t = np.bitwise_xor(t, sm4_f(t, CK[i]))
        t = np.bitwise_xor(t, x)
        x, t = t, x
    return np.bitwise_xor(x, FK[1])

def sm4_f(x, k):
    x = sm4_l(x)
    y = np.bitwise_xor(x, k)
    z = sm4_sbox(y)
    r = np.bitwise_xor(z, sm4_r(x))
    return r

def sm4_l(x):
    return np.bitwise_xor(x, np.roll(x, 13) ^ np.roll(x, 23))

def sm4_r(x):
    return np.bitwise_xor(x, np.roll(x, 2) ^ np.roll(x, 10) ^ np.roll(x, 18) ^ np.roll(x, 24))

def sm4_sbox(x):
    return np.array([SBOX[(x[i] >> 4) & 0xF, x[i] & 0xF] for i