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Java版SMS4加密解密算法

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create17
发布2019-04-17 14:57:23
2.3K0
发布2019-04-17 14:57:23
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每一个成功人士的背后,必定曾经做出过勇敢而又孤独的决定。

放弃不难,但坚持很酷~

前言

最近工作中需要实现HBase自定义扩展sms4加密,今天就先来说一下Java版的SMS4加密解密算法的具体实现。

一、概述

1.1 基本概念

本算法是一个分组算法,由加解密算法和密钥扩展算法组成。该算法的分组长度为128比特(Bit),密钥长度为128比特(Bit),也就是16个字节(Bytes)。加密算法与密钥扩展算法都采用32轮非线性迭代结构。解密算法与加密算法的结构相同,只是轮密钥的使用顺序相反,解密轮密钥是加密轮密钥的逆序。在SMS4的基础类中,你会看到加密和解密的基础函数是同一个(本篇文章中的sms4KeyExt()方法),只是需要一个int型的标志位来判断是加密还是解密。

1.2 密码算法结构
  • 基本轮函数加迭代
  • 解密算法与加密算法相同
1.3 S盒:S-box

S 盒为固定的8比特(Bit)输入8比特(Bit)输出的置换,记为Sbox(⋅) 。

1.4 SMS4密码算法
1.4.1 基本运算
  • ⨁ 32比特异或
  • ⋘ i 32比特循环左移i位
1.4.2 基本密码部件
  • 非线性字节变换部件S盒
  • 非线性字变换τ:32位字的非线性变换
  • 字线性部件L变换
  • 字合成变换T
1.4.3 轮函数F
1.5 密钥扩展算法
  • 常数FK
  • 固定参数CK

更多详细的资料请私信 “SMS4” 到本公众号,获取SMS4相关资料(一个PPT,一个PDF)。

二、编码实现

以下代码可能与网上有些雷同,毕竟万变不离其宗,但我将每一个方法代表什么意思,都写了很详细的注释供大家理解,这样可以缩短你的学习时长。都快被自己感动哭了?

代码语言:javascript
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package com.xxx.sms4;

import java.util.Arrays;

/**
 * @author CREATE_17
 * @description: SMS4加密与解密算法实现
 * @date: 2019/4/2 14:10
 */
public class Sms4 {

    /**
     * @description: ENCRYPT与DECRYPT为加解密的判断依据
     */
    private static final int ENCRYPT = 1;
    private static final int DECRYPT = 0;
    /**
     * @description: 轮数,轮函数的迭代次数
     * 加密算法与密钥扩展算法都采用32轮非线性迭代结构。
     */
    private static final int ROUND = 32;
    private static final int BLOCK = 16;

    /**
     * @description: S盒中数据均采用16进制表示
     */
    private static short[] 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
    };

    /**
     * @description: 常数FK,在密钥扩展中使用一些常数
     */
    private static int[] fk = {0xa3b1bac6, 0x56aa3350, 0x677d9197, 0xb27022dc};

    /**
     * @description: 32个固定参数CK
     * 产生规则:Ckij= (4i+j)×7(mod 256) ,i=0,1,2…31,j=0,1,…3
     */
    private static int[] 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
    };

    /**
     * @description: 移位,rot1(x,y)为循环左移位y
     * @param: x
     * @param: y
     * @return: int
     */
    private int rotl(int x, int y) {
        return x << y | x >>> (32 - y);
    }

    /**
     * @description: 加解密,非线性τ函数:B=τ(A)
     * @param: a
     * @return: int
     */
    private int byteSub(int a) {
        return (sBox[a >>> 24 & 0xFF] & 0xFF) << 24
                ^ (sBox[a >>> 16 & 0xFF] & 0xFF) << 16
                ^ (sBox[a >>> 8 & 0xFF] & 0xFF) << 8
                ^ (sBox[a & 0xFF] & 0xFF);
    }

    /**
     * @description: 加解密的L函数
     * @param: b
     * @return: int
     */
    private int l1(int b) {
        return b ^ rotl(b, 2) ^ rotl(b, 10) ^ rotl(b, 18) ^ rotl(b, 24);
    }

    /**
     * @description: 密钥扩展
     * @param: b
     * @return: int
     */
    private int l2(int b) {
        return b ^ rotl(b, 13) ^ rotl(b, 23);
    }

    /**
     * @description: SMS4的加密方法实现
     * @param: input(待输入的明文)
     * @param: output(待输出的密文)
     * @param: rk(轮密钥)
     * @return: void
     */
    private void sms4Crypt(byte[] input, byte[] output, int[] rk) {
        int mid;
        int[] x = new int[4];
        int[] tmp = new int[4];
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            tmp[0] = input[4 * i] & 0xff;
            tmp[1] = input[1 + 4 * i] & 0xff;
            tmp[2] = input[2 + 4 * i] & 0xff;
            tmp[3] = input[3 + 4 * i] & 0xff;
            x[i] = tmp[0] << 24 | tmp[1] << 16 | tmp[2] << 8 | tmp[3];
        }
        // 进行32轮的加密变换操作
        for (int r = 0; r < 32; r += 4) {
            mid = x[1] ^ x[2] ^ x[3] ^ rk[r];
            mid = byteSub(mid);
            // x4
            x[0] = x[0] ^ l1(mid);

            mid = x[2] ^ x[3] ^ x[0] ^ rk[r + 1];
            mid = byteSub(mid);
            // x5
            x[1] = x[1] ^ l1(mid);

            mid = x[3] ^ x[0] ^ x[1] ^ rk[r + 2];
            mid = byteSub(mid);
            // x6
            x[2] = x[2] ^ l1(mid);

            mid = x[0] ^ x[1] ^ x[2] ^ rk[r + 3];
            mid = byteSub(mid);
            // x7
            x[3] = x[3] ^ l1(mid);
        }

        // 反序变换
        for (int j = 0; j < 16; j += 4) {
            output[j] = (byte) (x[3 - j / 4] >>> 24 & 0xFF);
            output[j + 1] = (byte) (x[3 - j / 4] >>> 16 & 0xFF);
            output[j + 2] = (byte) (x[3 - j / 4] >>> 8 & 0xFF);
            output[j + 3] = (byte) (x[3 - j / 4] & 0xFF);
        }
    }

    /**
     * @description: SMS4的密钥扩展算法
     * @param: key(加密密钥)
     * @param: rk(子密钥)
     * @param: cryptFlag(加解密标志)
     * @return: void
     */
    private void sms4KeyExt(byte[] key, int[] rk, int cryptFlag) {
        int r, mid;
        int[] x = new int[4];
        int[] tmp = new int[4];
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            // 实现对初始密钥的分组(分为4组)
            tmp[0] = key[4 * i] & 0xFF;
            tmp[1] = key[1 + 4 * i] & 0xff;
            tmp[2] = key[2 + 4 * i] & 0xff;
            tmp[3] = key[3 + 4 * i] & 0xff;

            x[i] = tmp[0] << 24 | tmp[1] << 16 | tmp[2] << 8 | tmp[3];
            x[i] = key[4 * i] << 24 | key[1 + 4 * i] << 16 | key[2 + 4 * i] << 8 | key[3 + 4 * i];
        }
        // 异或运算之后的结果
        x[0] ^= fk[0];
        x[1] ^= fk[1];
        x[2] ^= fk[2];
        x[3] ^= fk[3];
        for (r = 0; r < 32; r += 4) {
            //
            mid = x[1] ^ x[2] ^ x[3] ^ ck[r];
            mid = byteSub(mid);
            // rk0=K4
            rk[r] = x[0] ^= l2(mid);

            mid = x[2] ^ x[3] ^ x[0] ^ ck[r + 1];
            mid = byteSub(mid);
            // rk1=K5
            rk[r + 1] = x[1] ^= l2(mid);

            mid = x[3] ^ x[0] ^ x[1] ^ ck[r + 2];
            mid = byteSub(mid);
            // rk2=K6
            rk[r + 2] = x[2] ^= l2(mid);

            mid = x[0] ^ x[1] ^ x[2] ^ ck[r + 3];
            mid = byteSub(mid);
            // rk3=K7
            rk[r + 3] = x[3] ^= l2(mid);
        }

        // cryptFla==0 为解密,解密时轮密钥使用顺序:rk31,rk30,...,rk0(逆序)
        if (cryptFlag == DECRYPT) {
            for (r = 0; r < 16; r++) {
                mid = rk[r];
                rk[r] = rk[31 - r];
                rk[31 - r] = mid;
            }
        }
    }

    /**
     * @description: 加解密的基础方法
     * @param: in(待输入的明文或密文)
     * @param: inLen(16)
     * @param: key(密钥)
     * @param: out(待输出的密文或明文)
     * @param: cryptFlag(加解密的判断条件)
     * @return: int
     */
    private void sms4(byte[] in, int inLen, byte[] key, byte[] out, int cryptFlag) {
        int point = 0;
        int[] roundKey = new int[ROUND];
        sms4KeyExt(key, roundKey, cryptFlag);
        byte[] input;
        byte[] output = new byte[16];
        while (inLen >= BLOCK) {
            input = Arrays.copyOfRange(in, point, point + 16);
            sms4Crypt(input, output, roundKey);
            System.arraycopy(output, 0, out, point, BLOCK);
            inLen -= BLOCK;
            point += BLOCK;
        }
    }

    /**
     * @description: 明文加密
     * @param: plaintext(明文)
     * @param: key(密钥)
     * @return: byte[]
     */
    private static byte[] encodeSMS4(String plaintext, byte[] key) {
        if (plaintext == null || "".equals(plaintext)) {
            return null;
        }
        for (int i = plaintext.getBytes().length % 16; i < 16; i++) {
            plaintext += '\0';
        }
        return Sms4.encodeSMS4(plaintext.getBytes(), key);
    }

    /**
     * @description: 不限明文长度的SMS4加密
     * @param: plainText(明文)
     * @param: key(密钥)
     * @return: byte类型的明文加密结果
     */
    private static byte[] encodeSMS4(byte[] plainText, byte[] key) {
        byte[] ciphertext = new byte[plainText.length];
        int k = 0;
        int plainLen = plainText.length;
        while (k + 16 <= plainLen) {
            byte[] cellPlain = new byte[16];
            for (int i = 0; i < 16; i++) {
                cellPlain[i] = plainText[k + i];
            }
            byte[] cellCipher = encode16(cellPlain, key);
            for (int i = 0; i < cellCipher.length; i++) {
                ciphertext[k + i] = cellCipher[i];
            }
            k += 16;
        }
        return ciphertext;
    }

    /**
     * @description: 不限密文长度的SMS4解密,获得byte类型的明文
     * @param: cipherText(密文)
     * @param: key(密钥)
     * @return: byte[]
     */
    private static byte[] decodeSMS4(byte[] cipherText, byte[] key) {
        byte[] plaintext = new byte[cipherText.length];
        int k = 0;
        int cipherLen = cipherText.length;
        while (k + 16 <= cipherLen) {
            byte[] cellCipher = new byte[16];
            for (int i = 0; i < 16; i++) {
                cellCipher[i] = cipherText[k + i];
            }
            byte[] cellPlain = decode16(cellCipher, key);
            for (int i = 0; i < cellPlain.length; i++) {
                plaintext[k + i] = cellPlain[i];
            }
            k += 16;
        }
        return plaintext;
    }

    /**
     * @description: 解密,获得明文字符串
     * @param: cipherText(密文)
     * @param: key(密钥)
     * @return: java.lang.String
     */
    private static String decodeSMS4toString(byte[] cipherText, byte[] key) {
        byte[] plaintext = new byte[cipherText.length];
        plaintext = decodeSMS4(cipherText, key);
        return new String(plaintext);
    }

    /**
     * @description: 16位明文加密,得到密文
     * @param: plainText(明文)
     * @param: key(密钥)
     * @return: byte[]
     */
    private static byte[] encode16(byte[] plainText, byte[] key) {
        byte[] cipher = new byte[16];
        Sms4 sm4 = new Sms4();
        sm4.sms4(plainText, 16, key, cipher, ENCRYPT);
        return cipher;
    }

    /**
     * @description: 解密密文,返回字节类型的明文
     * @param: key
     * @return: byte[]
     */
    private static byte[] decode16(byte[] ciphertext, byte[] key) {
        byte[] plain = new byte[16];
        Sms4 sm4 = new Sms4();
        sm4.sms4(ciphertext, 16, key, plain, DECRYPT);
        return plain;
    }

    /**
     * @description: 将16进制byte类型的密文转换为String字符串
     * @param: byteArray
     * @return: java.lang.String
     */
    private static String toHexString(byte[] byteArray) {
        if (byteArray == null || byteArray.length < 1) {
            throw new IllegalArgumentException("this byteArray must not be null or empty");
        }

        final StringBuilder hexString = new StringBuilder();
        for (int i = 0; i < byteArray.length; i++) {
            if ((byteArray[i] & 0xff) < 0x10) {
                hexString.append("0");
            }
            hexString.append(Integer.toHexString(0xFF & byteArray[i]));
        }
        return hexString.toString().toLowerCase();
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 密钥
        byte[] key = {0x01, 0x23, 0x45, 0x67, (byte) 0x89, (byte) 0xab,
                (byte) 0xcd, (byte) 0xef, (byte) 0xfe, (byte) 0xdc,
                (byte) 0xba, (byte) 0x98, 0x76, 0x54, 0x32, 0x10};
//        byte[] key = "JeF8U9wHFOMfs2S3".getBytes();
        // 明文
        String plainText = "SMS4测试,大数据实战演练!";
        byte[] enOut = encodeSMS4(plainText, key);
        if (enOut == null) {
            return;
        }
        System.out.println("加密结果:");
        System.out.println(toHexString(enOut));

        byte[] deOut = decodeSMS4(enOut, key);
        System.out.println("\n解密结果(return byte[]):");
        System.out.println(Arrays.toString(deOut));

        String deOutStr = decodeSMS4toString(enOut, key);
        System.out.println("\n解密结果(return String):\n" + deOutStr);
    }
}

明文设置为 “SMS4测试,大数据实战演练!”,程序会对明文进行加密,然后在对密文进行解密。直接运行程序,得到加密与解密结果,如下图所示:

不要忘记了,SMS4更多详细的资料请私信 “SMS4” 到本公众号,获取相关资料(一个PPT,一个PDF)。

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原始发表:2019-04-07,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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目录
  • 一、概述
    • 1.1 基本概念
      • 1.2 密码算法结构
        • 1.3 S盒:S-box
          • 1.4 SMS4密码算法
            • 1.4.1 基本运算
            • 1.4.2 基本密码部件
            • 1.4.3 轮函数F
          • 1.5 密钥扩展算法
          • 二、编码实现
          相关产品与服务
          领券
          问题归档专栏文章快讯文章归档关键词归档开发者手册归档开发者手册 Section 归档