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【原创】最简单的通过C语言实现国密SM4算法（无指针无结构体，最

发布时间：2021-05-15 00:00| 有 位朋友查看

简介：按照剧本来说应该更新pwm的但是调频率那里出现了问题再加上马上有个比赛要调GSM所以我决定把pwm再鸽亿鸽下一篇更新GSM。 PS:不是像其他博主一样从官网例程上扒下来的啊这是自己写完自己讲官方例程用的指针对小白太不友好了 文章目录 前言 一、术语解析 1.S盒……

按照剧本来说，应该更新pwm的，但是调频率那里出现了问题，再加上马上有个比赛要调GSM，所以我决定把pwm再鸽亿鸽，下一篇更新GSM。

PS:不是像其他博主一样从官网例程上扒下来的啊，这是自己写完自己讲，官方例程用的指针对小白太不友好了

文章目录

前言

SM4.0 （原名SMS4.0）是 中华人民共和国政府 采用的一种 分组密码 标准，SM4主要用于 数据加密 ，其算法公开，分组长度与密钥长度均为128bit， 加密算法 与密钥扩展算法都采用32轮非线性迭代结构， S盒 为固定的8比特输入8比特输出。

吧啦吧啦一大段，其实就是一个小小的加密算法罢了。我们只需要知道它是一个分组算法，分组长度为128比特，秘钥长度为128比特。加密算法与扩展秘钥算法都采用32轮非线性迭代结构。

一、术语解析

1.S盒

S盒为固定的8比特输入8比特输出的置换，记为Sbox(.)。

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

3.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。

4.太多了不想写了，自己在网上搜索吧

http://www.gb688.cn/bzgk/gb/newGbInfo?hcno=7803DE42D3BC5E80B0C3E5D8E873D56A

二、实现SM4

相信大家看完pdf后都有点自己的想法，可以先自己尝试着写写，最后再来看看我的写法

先用静态变量引入系统参数（S盒，CK，FK）：

static const unsigned char Sbox[16][16] = 
{
{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}
};

static const unsigned long CK[32] =
{
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
};


static const unsigned long FK[4] = {0xa3b1bac6,0x56aa3350,0x677d9197,0xb27022dc};

因为我们不用指针和结构体，那么我们直接生成连个全局变量记录轮秘钥rk和plain明文来调用

long rk[32];
long plain[4];

我们先来写这个32比特循环左移i位，区分<<
在这里插入图片描述

unsigned long Change_Place(unsigned long In,int Num)
{
	long temp;
	temp = (In << Num) | (In >> (32-Num));
	return temp;	
}

简单明了，入口参数就是需要循环异或的数我用了long正好是32位，注意了，这里一定要加上unsigned，证明它是无符号的。否则就会出现这样的状况：当最高位是1的时候，系统就会认为是负数，这样就会出大问题。

根据SM算法的意思，我们应该把明文分成4组合成4个32位的秘钥MK
在这里插入图片描述
那么我们再写一个生成MK的函数

unsigned long chang_place1(unsigned long in1,unsigned long in2,unsigned long in3,unsigned long in4)
{
	long temp = 0;
	temp =(in1 << 24) | (in2 << 16) | (in3 << 8) | in4 ;
	return temp;
}

简单得都不知道该怎样解释了。。。我们核心步骤是要求出rk轮秘钥。
在这里插入图片描述
那么我们就得先生成4个k

	for(i=0;i<4;i++)
	{
		k[i] = MK[i] ^ (FK[i]);
	}

我们看到，生成rk需要T’变换，而T’变换需要L’变换，而L’变换的入口参数是t返回值，那我们先写一个t变换，也就是查S盒：

unsigned int TransSbox(unsigned int temp)
{
	return Sbox[temp>>4][temp&0xf];
}

问题又出现了啊，这里查s盒用的是int，也就是高4位和低四位代表了行和列。可是我们MK秘钥是long型的，怎样才能输入进去呢？
所以我们再写一个转换的函数：

unsigned long TransSboxl(unsigned long In)
{
	long temp = 0;
	temp |= (unsigned long)TransSbox((unsigned int)(In >> 24) & 0xff);
	temp <<= 8;
	temp |= (unsigned long)TransSbox((unsigned int)(In >> 16) & 0xff);
	temp <<= 8;
	temp |= (unsigned long)TransSbox((unsigned int)(In >> 8) & 0xff);
	temp <<= 8;
	temp |= (unsigned long)TransSbox((unsigned int)In & 0xff);
	return temp;
}

我们把输入的32位先向右移24位，然后强制转换成int类型，取低八位，这样就能从S盒中找到转换出来的数了，接着再把int转换成long型，向左移8位，位下一次的找S盒留出位置。总共进行4次，这样我们就把一个32位MK的4个S盒找完了。

看到这里我建议大家先停一停，仔细思考思考这一步。

好了，接下来就可以写L’变换了
在这里插入图片描述

unsigned long TransL_1 (unsigned long temp)
{
	return temp ^ Change_Place(temp, 13) ^ Change_Place(temp, 23);
}

接下来就能直接写T’变换了

unsigned long TransT_1(unsigned long temp)
{
	return TransL_1(TransSboxl(temp));
}

简简单单，那么我后文就直接吧T变换拿出来了，因为T变换和T’变换原理是差不多的。

写到这里，我们核心步骤rk就能求出来了：

unsigned long KeyExp(unsigned long MK[4])
{
	int i=0;
	long k[4];
	
	for(i=0;i<4;i++)
	{
		k[i] = MK[i] ^ (FK[i]);
	}
	
	rk[0] = k[0]^TransT_1(k[1] ^ k[2] ^ k[3] ^ CK[0]);
	rk[1] = k[1]^TransT_1(k[2] ^ k[3] ^ rk[0] ^ CK[1]);
	rk[2] = k[2]^TransT_1(k[3] ^ rk[0] ^ rk[1] ^ CK[2]);
	rk[3] = k[3]^TransT_1(rk[0] ^ rk[1] ^ rk[2] ^ CK[3]);
	
	for(i=4;i<32;i++)
	{
	rk[i] = rk[i-4]^TransT_1(rk[i-3] ^ rk[i-2] ^ rk[i-1] ^ CK[i]);		
	}
	
}

接下来就可以进行加密运算（解密我就不写了，只需要把轮秘钥顺序换一下就行了，大家可以当做练习）
在这里插入图片描述
我们是不是轮函数还没写？得到轮函数的入口参数需要一次T变换，那我们直接拿出T变换：

unsigned long TransT(unsigned long temp)
{
	return TransL(TransSboxl(temp));
}

unsigned long TransL (unsigned long temp)
{
	return temp ^ Change_Place(temp, 2) ^ Change_Place(temp, 10) ^ Change_Place(temp, 18) ^ Change_Place(temp, 24) ;
}

好了这样我们就拥有F轮函数的入口参数了，直接写轮函数：

unsigned long F(unsigned long X0,unsigned long X1,unsigned long X2,unsigned long X3,unsigned long rk)
{
	return X0 ^ TransT(X1^X2^X3^rk);
}

接下来的工作就是进行32轮运算，得出最后四个，然后换位置。

	for(i=0;i<32;i++)
	{
		temp = F(plain[0],plain[1],plain[2],plain[3],rk[i]);
		plain[0]=plain[1];
		plain[1]=plain[2];
		plain[2]=plain[3];
		plain[3]=temp;
		printf("X%d=%x\n",i,temp);
	}
	
	temp = plain[0];
	plain[0] = plain[3];
	plain[3] = temp;
	temp = plain[1];
	plain[1] = plain[2];
	plain[2] = temp;

所以加密的算法就写出来了：

unsigned long get_sm4(unsigned long x[4],unsigned long MK[4])
{
	long temp;
	int i;
	KeyExp(MK);
	
	printf("rk:\n");
	for(i=0;i<32;i++)
	{
		printf("rk%d = %x\n",i,rk[i]);
	}
	
	for(i=0;i<4;i++)
	{
		plain[i] = x[i];
	}
	
	for(i=0;i<32;i++)
	{
		temp = F(plain[0],plain[1],plain[2],plain[3],rk[i]);
		plain[0]=plain[1];
		plain[1]=plain[2];
		plain[2]=plain[3];
		plain[3]=temp;
		printf("X%d=%x\n",i,temp);
	}
	
	temp = plain[0];
	plain[0] = plain[3];
	plain[3] = temp;
	temp = plain[1];
	plain[1] = plain[2];
	plain[2] = temp;
	
}

写我们的主函数

int main() 
{
	int i;
	long stringkey[]={0x01,0x23,0x45,0x67,
					  0x89,0xab,0xcd,0xef,
					  0xfe,0xdc,0xba,0x98,
					  0x76,0x54,0x32,0x10};
	long MK[4];
	long Pln[4];
	long temp[4];
	
	MK[0]=chang_place1(stringkey[0],stringkey[1],stringkey[2],stringkey[3]);
	MK[1]=chang_place1(stringkey[4],stringkey[5],stringkey[6],stringkey[7]);
	MK[2]=chang_place1(stringkey[8],stringkey[9],stringkey[10],stringkey[11]);
	MK[3]=chang_place1(stringkey[12],stringkey[13],stringkey[14],stringkey[15]);
	
	printf("明文为\n");
	for(i=0;i<4;i++)
	{
		Pln[i]=MK[i];
		printf("%x\n",MK[i]);
	}
	 get_sm4(Pln,MK);
	
	printf("密文为\n%x\n%x\n%x\n%x",plain[0],plain[1],plain[2],plain[3]);
}

总结

网上大多例程都是运用指针，而指针对于学习来说就太离谱了，可读性极低。刚好我们实验室考核就是SM4国密算法，那么我就将我这比较容易懂的写法分享给大家。这个思维就像是我直接奔着目标加密去，过程中需要什么，我就补上什么，比如想要T变换就得L变换，而L变换的入口参数是t变换的返回值，所以我就明白了，我需要先补上t变换，然后写出L变换，就能得到我想要的T变换了。
这种思维对于写程序来说，我认为是很好的，但是缺点也显而易见——读程序的人就不好懂了，因为他不明白写T转换为什么一下子就跳到了t转换。所以写完之后得再整理整理，才能够算是完成了这个工程。

；原文链接：https://blog.csdn.net/qq_18242623/article/details/115483489
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