超级好用的C++实用库之国密sm4算法

概述

国密SM4算法，全称为国家密码管理局制定的SM4分组密码算法，是中国自主设计的商用密码算法标准之一，用于数据的对称加密。由于其国产化属性和安全性，SM4广泛应用于中国国内的金融、电子政务、网络安全、通信等多个领域。在国密HTTPS协议中，SM4用于数据的加密传输，确保网络通信的安全。除此之外，它还应用于无线互联网加密、智能卡、加密芯片、以及各种需要高强度数据保护的场景。

CHP_Sm4

作为一种对称加密算法，国密SM4算法支持多种工作模式以适应不同的安全需求。其中，ECB（Electronic Codebook）和CBC（Cipher Block Chaining）是最常见的两种工作模式。

在ECB模式下，每个数据块独立地进行加密。同一个密钥下，相同明文块会被加密成相同的密文块。这也就意味着，模式不提供任何内在的数据关联性，安全性较低，容易受到重放攻击和模式识别攻击。但是，ECB模式的简单性使其在处理并行数据时速度快，易于实现。由于ECB模式的弱点，它通常不建议用于需要高度安全性的场合。但在某些特定场景下，比如加密小块的随机数据，或每次加密的数据块互不相关时，ECB模式仍可能被使用。

CBC模式通过引入一个初始化向量（Initialization Vector）和前一块的密文来影响当前块的加密过程，从而增强了安全性。每个明文块在加密前需与前一块的密文进行异或（XOR）操作，这使得相同的明文块在不同上下文中会产生不同的密文，有效抵抗模式识别和重放攻击。CBC模式要求加密数据的顺序性，解密时也需要按同样的顺序进行。CBC模式因其较好的安全性，广泛应用于需要高安全等级的通信场景，比如：网络数据传输、文件加密等。它能有效隐藏明文模式，提供较好的数据保密性和完整性保护。

为了对国密SM4算法在ECB模式、CBC模式下的加解密进行封装，方便其他模块使用，我们编写了CHP_Sm4类。每个加密或解密的接口，都有两种重载形式：一种是原地加解密，会改变原始数据，但节省内存空间；另一种需要额外的内存空间，用于存储加解密后的数据。CHP_Sm4类的头文件，可参考下面的示例代码。

#pragma once

class CHP_Sm4
{
public:
        CHP_Sm4();
        ~CHP_Sm4();

        int SetEncryptKey(unsigned char pucKey[16]);
        
        int EncryptEcb(unsigned char *pucData, int nDataLen);

        int EncryptEcb(unsigned char *pucInput, int nInputLen, unsigned char *pucOutput);

        int EncryptCbc(unsigned char *pucData, int nDataLen, unsigned char pucIV[16]);

        int EncryptCbc(unsigned char *pucInput, int nInputLen, unsigned char pucIV[16],
                unsigned char *pucOutput);

        int SetDecryptKey(unsigned char pucKey[16]);

        int DecryptEcb(unsigned char *pucData, int nDataLen);

        int DecryptEcb(unsigned char *pucInput, int nInputLen, unsigned char *pucOutput);

        int DecryptCbc(unsigned char *pucData, int nDataLen, unsigned char pucIV[16]);

        int DecryptCbc(unsigned char *pucInput, int nInputLen, unsigned char pucIV[16],
                unsigned char *pucOutput);

private:
        static unsigned char Sbox(unsigned char ucIndex);
        static unsigned int CalcLt(unsigned int uiKa);
        static unsigned int CalcF(unsigned int uiX0, unsigned int uiX1, unsigned int uiX2, unsigned int uiX3, unsigned int uiRk);
        static unsigned int CalciRK(unsigned int uiKa);
        static void SetKey(unsigned int puiSK[32], unsigned char pucKey[16]);
        static void ProcessOneRound(unsigned int puiSK[32], unsigned char pucInput[16], unsigned char pucOutput[16]);

private:
        enum ISm4CryptMode { SM4_CRYPTE_MODE_ENCRYPT, SM4_CRYPTE_MODE_DECRYPT };

        typedef struct _TSm4ContextInfo
        {
                ISm4CryptMode mode;
                unsigned int puiSK[32];
        }TSm4ContextInfo;

        TSm4ContextInfo m_ctx;
};

下面，我们逐个介绍CHP_Sm4类导出的公共接口。

SetEncryptKey：设置加密密钥。参数pucKey为加密密钥，16个字节。返回值为0表示成功，其他为错误码。

EncryptEcb：Ecb模式就地加密数据，函数返回后，pucData为加密过的数据。参数pucData为要加密的数据，参数nDataLen为要加密的数据的长度。返回值为0表示成功，其他为错误码。

EncryptEcb：Ecb模式加密数据。pucData为加密过的数据。参数pucData为要加密的数据，参数nDataLen为要加密的数据的长度，参数pucOutput为加密后的数据，用于传出。返回值为0表示成功，其他为错误码。

EncryptCbc：Cbc模式就地加密数据，函数返回后，pucData为加密过的数据。参数pucData为要加密的数据，参数nDataLen为要加密的数据的长度，参数pucIV为加密向量。返回值为0表示成功，其他为错误码。

EncryptCbc：Cbc模式加密数据。参数pucData为要加密的数据，参数nDataLen为要加密的数据的长度，参数pucIV为加密向量，参数pucOutput为加密后的数据，用于传出。返回值为0表示成功，其他为错误码。

SetDecryptKey：设置解密密钥。参数pucKey为解密密钥，16个字节。返回值为0表示成功，其他为错误码。

DecryptEcb：Ecb模式就地解密数据，函数返回后，pucData为解密过的数据。参数pucData为要解密的数据，参数nDataLen为要解密的数据的长度。返回值为0表示成功，其他为错误码。

DecryptEcb：Ecb模式解密数据。参数pucData为要解密的数据，参数nDataLen为要解密的数据的长度，参数pucOutput为加密后的数据，用于传出。返回值为0表示成功，其他为错误码。

DecryptCbc：Cbc模式就地解密数据，函数返回后，pucData为解密过的数据。参数pucData为要解密的数据，参数nDataLen为要解密的数据的长度，参数pucIV为解密向量。返回值为0表示成功，其他为错误码。

DecryptCbc：Cbc模式解密数据。参数pucInput为要解密的数据，参数nInputLen为要解密的数据的长度，参数pucIV为解密向量，参数pucOutput为解密后的数据。返回值为0表示成功，其他为错误码。

总结

国密SM4算法作为中国自主知识产权的密码技术，旨在提高国家信息安全水平，减少对外部密码技术的依赖，并且在保障信息安全的同时，促进了国产密码技术的发展和应用。SM4属于对称加密算法，与之并列的还有非对称加密算法SM2、哈希函数SM3等，它们共同构成了中国商用密码体系的重要组成部分。