SM4加密算法例程（新增CTR模式）

说明

SM4和AES只是加密算法不同，使用起来几乎没有区别，AES相关的例程可以参考：

基于mbedtls的AES加密(C/C++)

基于OpenSSL的AES加密(C/C++)

本文主要介绍SM4加密算法，并提供库里没有的CTR模式模式

加密模式介绍

ECB模式（Electronic Codebook）：

特点：

独立性： 每个明文块都独立地使用相同的密钥进行加密，因此加密过程是相互独立的。
并行性： 由于每个块之间没有依赖关系，ECB模式具有较好的并行性，可以同时加密多个块。

加密过程：

将明文划分为固定大小的块（例如128位）。
对每个块独立使用AES加密算法，使用相同的密钥。
输出得到相应的密文块。

CBC模式（Cipher Block Chaining）：

特点：

链接性： 每个明文块在加密之前都与前一个密文块进行异或运算，建立起块之间的链接，增加了安全性。
初始块： 使用初始化向量（IV）引导第一个块的加密，避免了相同的明文块生成相同的密文块。

加密过程：

使用初始化向量（IV）与第一个明文块进行异或运算。
对异或的结果使用AES加密算法，得到第一个密文块。
将第一个密文块作为下一个明文块的IV，继续进行异或和加密。
重复这个过程直到加密完所有的块。

CTR模式（Counter）：

特点：

并行性： 由于每个块都被视为一个计数器的值，不需要保持块之间的状态，因此CTR模式具有良好的并行性。
计数器： 每个块都使用一个唯一的计数器值，避免了相同的明文块生成相同的密文块。

加密过程：

生成一个初始计数器值（Counter）和初始化向量（IV）。
将计数器值与IV组合作为输入，使用AES加密算法生成伪随机流。
将伪随机流与明文块进行异或运算，得到密文块。
更新计数器值，继续生成伪随机流，重复以上步骤直到加密完所有的块。

AES和SM4的区别

设计和标准制定

AES： 由美国国家标准技术研究所（NIST）于2001年制定，是国际上广泛认可的加密标准。
SM4： 由中国国家密码管理局在2006年制定，主要在中国国内使用。

密钥长度

AES： 支持128位、192位和256位的密钥长度，分别称为AES-128、AES-192和AES-256。
SM4： 使用固定的128位密钥。

分组长度

AES： 使用128位的分组长度。
SM4： 同样使用128位的分组长度。

轮数

AES： 轮数取决于密钥长度，分别为10轮（AES-128）、12轮（AES-192）和14轮（AES-256）。
SM4： 固定为32轮。

S盒（Substitution Box）

AES： 使用固定的S盒，是一个预定义的字节替换表。
SM4： 使用非线性的S盒，通过运算生成。

应用领域

AES： 作为国际上广泛应用的加密算法，适用于各种领域的安全通信和数据保护。
SM4： 主要在中国国内使用，用于信息安全领域。

国际认可

AES： 经过全球范围内的广泛评估，得到广泛认可。
SM4： 目前主要在中国国内应用，国际认可度相对较低。

通过对比这两种算法的设计、应用和性能特征，可以更好地理解它们在不同背景下的使用场景和优势。在选择使用哪种算法时，应考虑特定的安全需求和国际标准。

代码

输出

ECB ENCYRPT(hex):  9a991f25e3303e12173f04f698ed5f4d
ECB DECYRPT(str):  1234567890abcdef
CBC ENCYRPT(hex):  d2d68ed9fe06cb40c9a150aa5917f15fa80538810c8117273f53ac7a0735b8f5
CBC DECYRPT(str):  1234567890abcdef123456789abcdef0
CRT ENCYRPT(hex):  abab2c11d606092a2e0f6594fb893a2b7aa45f0c5b207da83e4bb3eb754c1f00
CRT DECYRPT(str):  1234567890abcdef123456789abcdef0

源代码

from pysm4 import encrypt_ecb, decrypt_ecb, encrypt_cbc, decrypt_cbc
import base64sm4_key = "1234567890123456";
sm4_iv = "1234567890abcdef";
sm4_in = "1234567890abcdef123456789abcdef0";def SM4_CTR(data, key, iv, byteorder = "little"):'''入参和返回值均为bytes类型'''i = 0ret = []groups_num = len(data) // 16# bytes 转 intif byteorder == "little":iv_int = int.from_bytes(iv[0:4], byteorder)else:iv_int = int.from_bytes(iv[12:16], byteorder)for i in range(groups_num):temp_bs64 = encrypt_ecb(iv, key)temp_bytes = base64.b64decode(temp_bs64)for j in range(16):ret.append(data[i*16+j] ^ temp_bytes[j])iv_int += 1if byteorder == "little":iv = iv_int.to_bytes(4, byteorder) + iv[4:]else:iv = iv[:12] + iv_int.to_bytes(4, byteorder)if (len(data) % 16):temp_bs64 = encrypt_ecb(iv, key)temp_bytes = base64.b64decode(temp_bs64)for j in range(len(data) % 16):ret.append(data[i*16+j] ^ temp_bytes[j])return retdef ecb_test():ret = encrypt_ecb(sm4_in.encode(), sm4_key.encode())print("ECB ENCYRPT(hex): ", base64.b64decode(ret).hex()[:32])ret = decrypt_ecb(ret, sm4_key.encode())print("ECB DECYRPT(str): ", ret[:16])def ccb_test():ret = encrypt_cbc(sm4_in.encode(), sm4_key.encode(), sm4_iv.encode())print("CBC ENCYRPT(hex): ", base64.b64decode(ret).hex()[:64])ret = decrypt_cbc(ret, sm4_key.encode(), sm4_iv.encode())print("CBC DECYRPT(str): ", ret[:32])def ctr_test():ret = SM4_CTR(sm4_in.encode(), sm4_key.encode(), sm4_iv.encode(), "big")print("CRT ENCYRPT(hex): ", bytes(ret).hex())ret = SM4_CTR(bytes(ret), sm4_key.encode(), sm4_iv.encode(), "big")print("CRT DECYRPT(str): ", bytes(ret).decode())if __name__ == '__main__':ecb_test()ccb_test()ctr_test()