PHP实现国密算法SM4

迷南。 2022-06-05 09:00 393阅读 0赞

关于什么是国密算法，我就不多赘述了，好奇的可以看这位博主的文章，好像有简易文档的下载链接（百度文库好像也有）

传送门： http://blog.csdn.net/archimekai/article/details/53095993

以前上大学的时候信息安全讲到密码学的时候没好好听，现在再来研究，有点头痛

项目是用php7+开发的，原本考虑使用c的扩展，去github一搜，别说还真有人写了php的c扩展库

传送门：https://github.com/fevin/gmsm

这是个很牛的哥们了，但是应该是个没有完成的项目，编译不通过，主要是SM2算法有点问题（作者自己描述的）

我尝试这在编译的时候，去掉对SM2、SM3的编译，值保留SM4，安装完修改配置文件，加上gmsm.so后发现调用的时候报404not found

在phpinfo中已经能看到该扩展了，有点意思，准备后续再研究一下，有兴趣的同学也可以自己看看，有答案来给我科普下，跪谢。

PS：

1上面编译安装扩展的时候，需要修改一下gmsm.c中的RETVAL\_STRINGL(data, strlen(data), 1);去掉最后一个参数，否则编译不通过。

2去除SM2、SM3模块的时候，对应gmsm.c php\_gmsm.h config.m4中的与sm2、sm3相关的描述都需要删除，另外改过config.m4后需要执行一次phpize

后来也曾考虑用python或者java去做SM4的加密解密模块，php使用系统调用或者RPC去调用，想想太麻烦了，而写稳定性不能保证。

总之，挣扎了很久的结果就是php依然无法用，所以我就想了想，为什么不写个php的版本出来，这样后来人都可以用用了，岂不乐载？

所以我参考着C源码和现有的少的可怜的文档，撸了个php版本出来，直接贴上结果，过程的艰辛我一个人了解就行了==

php是一门很有意思的语言，他的位移运算、位运算都会转化成二进制进行，不管你的输入是什么！！！然后结果总是返回十进制的数==，我没去了解具体的原理，也希望知道的大大们给我科普一番，谢谢~

SM4Algorithm.php

<?php
    /**
     * Created by PhpStorm.
     * User: KeenSting
     * Date: 2017/11/22
     * Time: 下午2:09
     * Name: 梁小苍
     * Phone: 13126734215
     * QQ: 707719848
     * File Description: 国密算法SM4 对称加密
     */
    
    class SM4{
    
        const SM4_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
        ];
    
        const SM4_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
        ];
    
        /**
         * 系统参数
         */
        const SM4_FK = [0xA3B1BAC6, 0x56AA3350, 0x677D9197, 0xB27022DC];
    
        private $key = [];//16个 HEXHEX格式的数组 16字节 128bits  为了操作方便,直接存成十进制
    
        private $skey = [];//记录每轮加密的秘钥 记录成十进制
    
    
        /**设置加密秘钥
         * @param $key 32个十六进制的字符
         * @return $this
         * @throws Exception
         */
        public function setKey($key)
        {
    
            $this->key = $this->preProcess($key);
            $this->setSkey();
    
            return $this;
        }
    
        /**
         * 计算每轮加密需要的秘钥
         */
        private function setSkey()
        {
            $skey = [];
            for($i=0;$i<4;$i++)
                $skey[] = self::SM4_FK[$i] ^ ($this->key[4*$i]<<24 | $this->key[4*$i+1]<<16 | $this->key[4*$i+2]<<8 | $this->key[4*$i+3]);
            for($k=0;$k<32;$k++)
            {
                $tmp = $skey[$k+1] ^ $skey[$k+2] ^ $skey[$k+3] ^ self::SM4_CK[$k];
    
                //非线性化操作
                $buf = (self::SM4_Sbox[($tmp>>24) & 0xff])<<24 |
                    (self::SM4_Sbox[($tmp>>16) & 0xff])<<16 |
                    (self::SM4_Sbox[($tmp>>8) & 0xff])<<8 |
                    (self::SM4_Sbox[$tmp & 0xff]);
                //线性化操作
                $skey[] = $skey[$k] ^ ($buf ^ $this->sm4Rotl32($buf,13) ^ $this->sm4Rotl32($buf,23));
                $this->skey[]= $skey[$k+4];
            }
        }
    
    
        /**32比特的buffer中循环左移n位
         * @param $buf int 可以传递进10进制 也可以是0b开头的二进制
         * @param $n int 向左偏移n位
         * @return int
         * reference http://blog.csdn.net/w845695652/article/details/6522285
         */
        private function sm4Rotl32($buf,$n)
        {
            return (($buf << $n) & 0xffffffff) | ($buf >> (32-$n));
        }
    
    
        /**SM4加密单个片段(128bit)
         * @param $text string 32个十六进制字符串
         * @return string
         * @throws Exception
         */
        public function encrypt($text)
        {
            $x = $re = [];
            $t = $this->preProcess($text);
    
    
            for($i=0;$i<4;$i++)
                $x[] = $t[$i*4]<<24 |
                    $t[$i*4+1]<<16 |
                    $t[$i*4+2]<<8 |
                    $t[$i*4+3];
    
            for($k=0;$k<32;$k++)
            {
                $tmp = $x[$k+1] ^ $x[$k+2] ^ $x[$k+3] ^ $this->skey[$k];
    
                $buf = self::SM4_Sbox[($tmp>>24) & 0xff] << 24 |
                    self::SM4_Sbox[($tmp>>16) & 0xff] << 16 |
                    self::SM4_Sbox[($tmp>>8) & 0xff] << 8 |
                    self::SM4_Sbox[$tmp & 0xff];
    
                $x[$k+4] = $x[$k] ^ $buf
                        ^ $this->sm4Rotl32($buf,2)
                        ^ $this->sm4Rotl32($buf,10)
                        ^ $this->sm4Rotl32($buf,18)
                        ^ $this->sm4Rotl32($buf,24);
            }
            for($i=0;$i<4;$i++)
            {
                $re[] = ($x[35-$i]>>24) & 0xff;
                $re[] = ($x[35-$i]>>16) & 0xff;
                $re[] = ($x[35-$i]>>8) & 0xff;
                $re[] = $x[35-$i] & 0xff;
            }
    
            return $this->wrapResult($re);
    
        }
    
    
        /**预处理16字节长度的16进制字符串 返回10进制的数组 数组大小为16
         * @param $text
         * @return array
         * @throws Exception
         */
        private function preProcess($text)
        {
            preg_match('/[0-9a-f]{32}/',strtolower($text),$re);
            if(empty($re))
                throw new Exception('error input format!');
            $key = $re[0];
            for($i=0;$i<16;$i++)
                $result[] = hexdec($key[2*$i].$key[2*$i+1]);
            return $result;
        }
    
        /**将十进制结果包装成16进制字符串输出
         * @param $result
         * @return string
         */
        private function wrapResult($result)
        {
            $hex_str = '';
            foreach($result as $v)
            {
                $tmp = dechex($v);
                $len = strlen($tmp);
                if($len==1)//不足两位十六进制的数 在前面补一个0,保证输出也是32个16进制字符
                    $hex_str .= '0';
                $hex_str .= $tmp;
            }
    
            return strtoupper($hex_str);
        }
    
    
        /**SM4解密单个片段(128bits)
         * @param $text string 32个16进制字符串
         * @return string
         * @throws Exception
         */
        public function decrypt($text)
        {
            $x = $re = [];
            $t = $this->preProcess($text);
    
            for($i=0;$i<4;$i++)
                $x[] = $t[4*$i]<<24 |
                    $t[4*$i+1]<<16 |
                    $t[4*$i+2]<<8 |
                    $t[4*$i+3];
            for($k=0;$k<32;$k++)
            {
                $tmp = $x[$k+1] ^ $x[$k+2] ^ $x[$k+3] ^ $this->skey[31-$k];
                $buf = (self::SM4_Sbox[($tmp>>24) & 0xff])<<24 |
                    (self::SM4_Sbox[($tmp>>16) & 0xff])<<16 |
                    (self::SM4_Sbox[($tmp>>8) & 0xff])<<8 |
                    (self::SM4_Sbox[$tmp & 0xff]);
                $x[$k+4] = $x[$k] ^ $buf
                    ^ $this->sm4Rotl32($buf,2)
                    ^ $this->sm4Rotl32($buf,10)
                    ^ $this->sm4Rotl32($buf,18)
                    ^ $this->sm4Rotl32($buf,24);
            }
    
            for($i=0;$i<4;$i++)
            {
                $re[] = ($x[35-$i]>>24) & 0xff;
                $re[] = ($x[35-$i]>>16) & 0xff;
                $re[] = ($x[35-$i]>>8) & 0xff;
                $re[] = $x[35-$i] & 0xff;
            }
    
            return $this->wrapResult($re);
        }
    
    
    
    
    
    }

调用过程如下：

require_once 'SM4/SM4Algorithm.php';
    
    $sm4 = new \SM4();
    //16字节的HEX编码字符串 32个hex字符
    $re = $sm4->setKey('0123456789abcdeffedcba9876543210')
        ->encrypt('0123456789abcdeffedcba9876543210');
    print_r($re);
    echo '-----';
    $re1 = $sm4->decrypt($re);
    print_r($re1);

运行结果如下

681EDF34D206965E86B3E94F536E4246-----0123456789ABCDEFFEDCBA9876543210

这是个简答的版本，SM4是个分组家吗算法，只对单个片段128bit的十六进制字符串进行加密解密，算是抛砖引玉吧。

过程中也有很多细节需要处理，比如int在的位移运算一般是在32bits的buffer中，但是你左移的时候就会溢出成64bits的buffer，然后结果就是巨大的==，可以通过 & 0xffffffff来处理，另外dechex()函数是不管转出的16进制字符个数的，不够位数需要自己在前面补0。

需要实现分组加密的可以自行在编码和解码的函数中做循环处理，输出的时候自行拼接即可，具体还是需要看应用场景是什么，随机应变。

好了好了，又假装自己是个程序员了，其实我只是代码的搬运工==