SM4 对称加密算法讲解

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1. 引言

SM4 是中国国家密码管理局制定的对称加密算法，是中国商用密码标准的一部分。SM4 具有高效性和安全性，广泛应用于数据加密、身份认证等领域。本文将详细介绍 SM4 的原理、执行流程和应用场景。

2. SM4 概述

2.1 对称加密算法

对称加密算法是一种加密方法，使用相同的密钥进行加密和解密。由于加密和解密密钥相同，密钥管理是对称加密的一个重要环节。

2.2 SM4 算法简介

SM4 算法是分组密码算法，每个分组长度为 128 位，密钥长度也为 128 位。它采用了32轮的迭代结构，通过多个非线性变换和线性变换实现数据的加密和解密。

3. SM4 执行流程

3.1 密钥扩展

密钥扩展是将初始密钥生成一系列轮密钥，用于每轮加密和解密操作。SM4 采用线性变换和非线性变换组合的方式生成 32 轮密钥。

3.2 加密过程

SM4 的加密过程包括以下步骤：
(1) 初始轮密钥添加
(2) 32 轮迭代变换
(3) 输出变换

在每轮迭代中，数据块通过非线性变换 S 盒、线性变换 L 和密钥加法进行处理。

3.2.1 初始轮密钥添加

将明文数据块与初始轮密钥进行异或操作。

3.2.2 32 轮迭代变换

每轮变换包括以下步骤：
- 输入数据经过非线性变换 S 盒
- 经过线性变换 L
- 与当前轮密钥进行异或操作

这些步骤重复32次，得到加密后的密文数据。

3.2.3 输出变换

将最后一轮的输出进行重组，得到最终的密文。

3.3 解密过程

解密过程与加密过程类似，只是轮密钥的使用顺序相反。通过相同的轮密钥生成算法，可以得到与加密过程一致的密钥序列。

4. 代码示例

下面是一个 Python 实现的 SM4 加密和解密示例，使用 pyCryptodome 库。

1. from Crypto.Cipher import AES
   
2. from Crypto.Util.Padding import pad, unpad
   
3. 
   
4. # SM4 使用 128 位密钥和 128 位分组长度
   
5. key = b'0123456789abcdef'
   
6. data = b'Hello, SM4!'
   
7. 
   
8. # 加密
   
9. cipher = AES.new(key, AES.MODE_ECB)
   
10. ciphertext = cipher.encrypt(pad(data, AES.block_size))
    
11. 
    
12. # 解密
    
13. decipher = AES.new(key, AES.MODE_ECB)
    
14. plaintext = unpad(decipher.decrypt(ciphertext), AES.block_size)
    
15. 
    
16. print("加密后的密文：", ciphertext)
    
17. print("解密后的明文：", plaintext)

复制代码

5. 应用场景

5.1 数据加密存储

SM4 可用于加密存储敏感数据，如数据库中的个人信息和财务数据，确保数据的机密性和完整性。

5.2 安全通信

在网络通信中，使用 SM4 加密传输的数据可以防止被窃听和篡改，保证数据传输的安全性。

5.3 身份认证

SM4 可用于身份认证系统，通过加密用户凭证和验证用户身份，提高系统的安全性。

6. 结论

SM4 作为一种高效的对称加密算法，具有广泛的应用前景。通过本文的介绍，读者可以理解 SM4 的基本原理、执行流程和实际应用场景。希望本文对你理解和使用 SM4 算法有所帮助。








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