【密码学探秘】SM4 国密算法：守护数字安全的 “中国盾牌”

紫风

发布于 2025-10-14 18:55:16

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一、为什么需要 SM4？从 “数字世界的锁” 说起

在互联网时代，我们的每一次转账、登录，甚至刷脸支付，都离不开密码学的保护。想象一下，你的银行账户信息在网络中传输时，就像一封信件在 “数字邮路” 上飞驰，如果没有一把可靠的 “锁”，任何人都可能偷看信件内容。传统的国际加密算法（如 AES）虽然广泛应用，但存在安全隐患 —— 一旦被他国掌握算法后门，我们的信息安全将面临威胁。

SM4 国密算法，正是我国自主研发的 “数字盾牌”，从金融交易到政务系统，从物联网设备到移动支付，它为国家信息安全筑牢了自主可控的防线，是保障数字主权的核心技术之一。

二、SM4 的核心思想：用 “迭代运算” 编织安全之网

SM4 是一种分组对称加密算法，这意味着加密和解密使用同一把密钥，且每次处理固定长度（128 位，即 16 字节）的数据块。其加密过程就像一个精密的 “密码工厂”，通过以下步骤将明文 “加工” 成密文：

1. 密钥扩展

输入 128 位的主密钥后，算法会 “生产” 出 32 个轮密钥。这些轮密钥就像不同的 “模具”，在后续的加密迭代中发挥作用。

2. 轮函数迭代

SM4 采用 32 轮迭代运算，每一轮都对数据块进行复杂的非线性变换：

异或运算：将数据块与轮密钥进行 “对比调整”。
非线性变换：通过 S 盒（替换盒）对数据进行替换，打乱原有数据结构。
线性变换：使用 P 盒（置换盒）重新排列数据顺序。

每一轮迭代都让数据 “改头换面”，经过 32 轮后，明文彻底变成让人无法解读的密文。而解密过程则是加密的逆运算，用相同的轮密钥反向操作，就能还原出原始数据。

3. 关键特性

高效性：适合在硬件和软件中快速实现，满足实时加密需求。
安全性：通过复杂的非线性变换和多轮迭代，抵御差分攻击、线性攻击等常见密码分析手段。

三、SM4 的 Java 实现：从原理到代码

以下是简化版的 SM4 算法 Java 代码实现（注：实际应用中需结合填充模式、密钥管理等完善安全性）：

import java.util.Arrays;

public class SM4 {
    // S盒定义
    private static final int[] SBOX = {
        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
    };

    // 轮函数
    private static int F(int x0, int x1, int x2, int x3, int rk) {
        return x0 ^ T(x1 ^ x2 ^ x3 ^ rk);
    }

    // T函数，包含S盒替换和P盒置换
    private static int T(int x) {
        int[] b = new int[4];
        b[0] = x >> 24 & 0xff;
        b[1] = x >> 16 & 0xff;
        b[2] = x >> 8 & 0xff;
        b[3] = x & 0xff;
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            b[i] = SBOX[b[i]];
        }
        return b[0] ^ (b[1] << 13) ^ (b[2] << 23) ^ b[3] ^ (b[3] << 5) ^ (b[2] << 19) ^ (b[1] << 14);
    }

    // 密钥扩展
    private static void keyExtend(int[] rk, int[] mk) {
        int[] k = new int[36];
        System.arraycopy(mk, 0, k, 0, 4);
        for (int i = 0; i < 32; i++) {
            k[i + 4] = k[i] ^ F(k[i + 1], k[i + 2], k[i + 3], 0, 0xf1234567 ^ 0x76543210 ^ i);
            rk[i] = k[i + 4];
        }
    }

    // SM4加密
    public static byte[] encrypt(byte[] plaintext, byte[] key) {
        int[] mk = new int[4];
        int[] rk = new int[32];
        int[] input = new int[4];
        int[] output = new int[4];

        // 将字节数组转换为整数数组
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            mk[i] = ((key[4 * i] & 0xff) << 24) | ((key[4 * i + 1] & 0xff) << 16) | ((key[4 * i + 2] & 0xff) << 8) | (key[4 * i + 3] & 0xff);
            input[i] = ((plaintext[4 * i] & 0xff) << 24) | ((plaintext[4 * i + 1] & 0xff) << 16) | ((plaintext[4 * i + 2] & 0xff) << 8) | (plaintext[4 * i + 3] & 0xff);
        }

        keyExtend(rk, mk);
        for (int i = 0; i < 32; i++) {
            output[0] = F(input[1], input[2], input[3], rk[i], input[0]);
            output[1] = input[0];
            output[2] = input[1];
            output[3] = input[2];
            System.arraycopy(output, 0, input, 0, 4);
        }

        // 将整数数组转换回字节数组
        byte[] ciphertext = new byte[16];
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            ciphertext[4 * i] = (byte) (input[i] >> 24);
            ciphertext[4 * i + 1] = (byte) (input[i] >> 16);
            ciphertext[4 * i + 2] = (byte) (input[i] >> 8);
            ciphertext[4 * i + 3] = (byte) input[i];
        }
        return ciphertext;
    }

    // SM4解密，与加密过程相同，只需调整轮密钥顺序
    public static byte[] decrypt(byte[] ciphertext, byte[] key) {
        int[] mk = new int[4];
        int[] rk = new int[32];
        int[] input = new int[4];
        int[] output = new int[4];

        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            mk[i] = ((key[4 * i] & 0xff) << 24) | ((key[4 * i + 1] & 0xff) << 16) | ((key[4 * i + 2] & 0xff) << 8) | (key[4 * i + 3] & 0xff);
            input[i] = ((ciphertext[4 * i] & 0xff) << 24) | ((ciphertext[4 * i + 1] & 0xff) << 16) | ((ciphertext[4 * i + 2] & 0xff) << 8) | (ciphertext[4 * i + 3] & 0xff);
        }

        keyExtend(rk, mk);
        for (int i = 31; i >= 0; i--) {
            output[0] = F(input[1], input[2], input[3], rk[i], input[0]);
            output[1] = input[0];
            output[2] = input[1];
            output[3] = input[2];
            System.arraycopy(output, 0, input, 0, 4);
        }

        byte[] plaintext = new byte[16];
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            plaintext[4 * i] = (byte) (input[i] >> 24);
            plaintext[4 * i + 1] = (byte) (input[i] >> 16);
            plaintext[4 * i + 2] = (byte) (input[i] >> 8);
            plaintext[4 * i + 3] = (byte) input[i];
        }
        return plaintext;
    }

    public static void main(String[] args) {
        byte[] plaintext = "Hello, SM4!".getBytes();
        byte[] key = "1234567890abcdef".getBytes();
        byte[] encrypted = encrypt(plaintext, key);
        byte[] decrypted = decrypt(encrypted, key);
        System.out.println("Plaintext: " + new String(plaintext));
        System.out.println("Encrypted: " + Arrays.toString(encrypted));
        System.out.println("Decrypted: " + new String(decrypted));
    }
}