[發(fā)明專利]SM4分組密碼算法S盒的緊湊實現(xiàn)方法

在審

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• 申請日: 2014-06-25
• 公開（公告）號: CN104065473A
• 公開（公告）日: 2014-09-24
• 發(fā)明（設計）人: 陳俊;陳運;萬武南
• 申請（專利權）人: 成都信息工程學院
• 主分類號: H04L9/06
• 分類號: H04L9/06
• 代理公司: 成都惠迪專利事務所(普通合伙) 51215
• 代理人: 劉勛

技術領域

本發(fā)明涉及加密技術。

技術背景

SM4算法是國家商用密碼管理辦公室于2006年公布的分組密碼算法，是國內官方公布的第一個商用密碼算法。

S盒是SM4算法中唯一的非線性運算部件，由于它作用于每一輪的加解密運算，也作用于密鑰擴展，因此，S盒的硬件實現(xiàn)對整個SM4算法的硬件實現(xiàn)性能、電路面積、功耗等有一定的影響。

智能卡和RFID標簽是資源十分有限的系統(tǒng)。因此，在智能卡和RFID標簽上實現(xiàn)SM4算法時，應盡量減少的電路面積。因為，S盒的電路面積對整個SM4算法的電路面積影響比較大，所以，應該盡量較小S盒的電路面積。

到目前為止，只在參考文獻1中，白雪飛等提出了一種適合于SM4算法S盒的硬件實現(xiàn)方法，但是該實現(xiàn)方法所選擇的參數(shù)不是很優(yōu)，因此需要的電路面積還是比較大。

參考文獻1：徐艷華，白雪飛，郭立。適合SMS4算法硬件實現(xiàn)的S盒構造新方法，中國科學技術大學學報，第39卷第11期，2009年11月。

發(fā)明內容

本發(fā)明解決所述技術問題采用的技術方案是，SM4分組密碼算法S盒的緊湊實現(xiàn)方法，其特征在于，包括下述步驟：

1)將有限域GF(2⁸)中的元素從標準表示轉換為用復合域方法表示；

2)將用復合域方法表示的有限域元素用復合域方法求其逆元；

3)將所求出的逆元從復合域表示轉換為有限域GF(2⁸)中的標準表示；

4)將步驟3)的結果與一個常量進行異或運算。

進一步的，所述步驟1)包括以下子步驟：

1.1)將有限域GF(2⁸)中用標準表示法表示的元素A乘以矩陣M1，其中A是GF(2)上長度為8的向量，M1是GF(2)上8行8列的矩陣；

1.2)將A乘以M1的積再與常量C1進行異或運算，其中C1是長度為8的GF(2)上的向量。

所述步驟2)包括以下子步驟：

2.1)利用布爾函數(shù)的性質優(yōu)化運算(a*b)⊕(a*b)²*N，其中a表示求逆運算的8比特輸入的高4比特，b表示求逆運算的8比特輸入的低4比特，N是一個4比特的常數(shù)向量，⊕表示異或運算，*表示GF(16)的乘法運算，記c＝(a*b)⊕(a*b)²*N；

2.2)在GF(16)中計算c的逆元，記該逆元為d；

2.3)在GF(16)中計算b與d的乘積，將此乘積記為p；

2.4)在GF(16)中計算a與d的乘積，將此乘積記為q；

2.5)將p作為高4比特，將q作為低4比特，組合成一個8比特的向量Q，作為求逆運算的結果。

所述步驟3)為：

將求逆輸出Q乘以一個GF(2)上的8行8列的矩陣M2。

所述步驟4)為：將步驟3)運算結果與一個GF(2)上的長度為8的向量C2進行異或運算。

本發(fā)明的有益效果是，實現(xiàn)本發(fā)明的方法所需要的電路面積更小，在SMIC0.18um工藝下，用查找表方法實現(xiàn)SM4算法的S盒需要655個與非門，用文獻1中的方法實現(xiàn)SM4算法的S盒需要402個與非門，用本發(fā)明的方法實現(xiàn)SM4算法的S盒需要278個與非門。根據(jù)現(xiàn)有文獻記載，本發(fā)明是目前所需電路面積最小的實現(xiàn)方法。

具體實施方式

S盒是SMS4算法中唯一的非線性運算，它一般的實現(xiàn)方法是用查找表的形式，S盒的代換規(guī)則如下：以輸入的前半字節(jié)為行號，后半字節(jié)為列號，行列交叉點處的數(shù)據(jù)即為S盒的輸出。假設輸入為‘0x01’，則行號為0，列號為1，經(jīng)過非線性變換S盒后的值為S盒第0行第1列的交叉點的值，即Sbox(0x01)＝0x90，如表1所示，表中數(shù)據(jù)均采用十六進制表示。

表1

采用查找表方法實現(xiàn)SM4算法的S盒在SMIC0.18um工藝庫下需要665個邏輯門。本發(fā)明的實現(xiàn)方法不同于一般的實現(xiàn)方法，而是采用了有限域中的復合域計算方法，該實現(xiàn)方法在SMIC0.18um工藝庫下只需要278個邏輯門，大約是采用查找表實現(xiàn)方法所需邏輯門的42％，大大減小了電路的面積。

具體的說，本發(fā)明提供SM4分組密碼算法S盒的緊湊實現(xiàn)方法，包括下述步驟：

1、將有限域GF(2⁸)中的元素從標準表示轉換為用復合域方法表示；

2、將用復合域方法表示的有限域元素用復合域方法求其逆元；