[发明专利]SM4分组密码算法S盒的紧凑实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及加密技术。

技术背景

SM4算法是国家商用密码管理办公室于2006年公布的分组密码算法，是国内官方公布的第一个商用密码算法。

S盒是SM4算法中唯一的非线性运算部件，由于它作用于每一轮的加解密运算，也作用于密钥扩展，因此，S盒的硬件实现对整个SM4算法的硬件实现性能、电路面积、功耗等有一定的影响。

智能卡和RFID标签是资源十分有限的系统。因此，在智能卡和RFID标签上实现SM4算法时，应尽量减少的电路面积。因为，S盒的电路面积对整个SM4算法的电路面积影响比较大，所以，应该尽量较小S盒的电路面积。

到目前为止，只在参考文献1中，白雪飞等提出了一种适合于SM4算法S盒的硬件实现方法，但是该实现方法所选择的参数不是很优，因此需要的电路面积还是比较大。

参考文献1：徐艳华，白雪飞，郭立。适合SMS4算法硬件实现的S盒构造新方法，中国科学技术大学学报，第39卷第11期，2009年11月。

发明内容

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，SM4分组密码算法S盒的紧凑实现方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)将有限域GF(2⁸)中的元素从标准表示转换为用复合域方法表示；

2)将用复合域方法表示的有限域元素用复合域方法求其逆元；

3)将所求出的逆元从复合域表示转换为有限域GF(2⁸)中的标准表示；

4)将步骤3)的结果与一个常量进行异或运算。

进一步的，所述步骤1)包括以下子步骤：

1.1)将有限域GF(2⁸)中用标准表示法表示的元素A乘以矩阵M1，其中A是GF(2)上长度为8的向量，M1是GF(2)上8行8列的矩阵；

1.2)将A乘以M1的积再与常量C1进行异或运算，其中C1是长度为8的GF(2)上的向量。

所述步骤2)包括以下子步骤：

2.1)利用布尔函数的性质优化运算(a*b)⊕(a*b)²*N，其中a表示求逆运算的8比特输入的高4比特，b表示求逆运算的8比特输入的低4比特，N是一个4比特的常数向量，⊕表示异或运算，*表示GF(16)的乘法运算，记c＝(a*b)⊕(a*b)²*N；

2.2)在GF(16)中计算c的逆元，记该逆元为d；

2.3)在GF(16)中计算b与d的乘积，将此乘积记为p；

2.4)在GF(16)中计算a与d的乘积，将此乘积记为q；

2.5)将p作为高4比特，将q作为低4比特，组合成一个8比特的向量Q，作为求逆运算的结果。

所述步骤3)为：

将求逆输出Q乘以一个GF(2)上的8行8列的矩阵M2。

所述步骤4)为：将步骤3)运算结果与一个GF(2)上的长度为8的向量C2进行异或运算。

本发明的有益效果是，实现本发明的方法所需要的电路面积更小，在SMIC0.18um工艺下，用查找表方法实现SM4算法的S盒需要655个与非门，用文献1中的方法实现SM4算法的S盒需要402个与非门，用本发明的方法实现SM4算法的S盒需要278个与非门。根据现有文献记载，本发明是目前所需电路面积最小的实现方法。

具体实施方式

S盒是SMS4算法中唯一的非线性运算，它一般的实现方法是用查找表的形式，S盒的代换规则如下：以输入的前半字节为行号，后半字节为列号，行列交叉点处的数据即为S盒的输出。假设输入为‘0x01’，则行号为0，列号为1，经过非线性变换S盒后的值为S盒第0行第1列的交叉点的值，即Sbox(0x01)＝0x90，如表1所示，表中数据均采用十六进制表示。

表1

采用查找表方法实现SM4算法的S盒在SMIC0.18um工艺库下需要665个逻辑门。本发明的实现方法不同于一般的实现方法，而是采用了有限域中的复合域计算方法，该实现方法在SMIC0.18um工艺库下只需要278个逻辑门，大约是采用查找表实现方法所需逻辑门的42％，大大减小了电路的面积。

具体的说，本发明提供SM4分组密码算法S盒的紧凑实现方法，包括下述步骤：

1、将有限域GF(2⁸)中的元素从标准表示转换为用复合域方法表示；

2、将用复合域方法表示的有限域元素用复合域方法求其逆元；