[发明专利]一种SM4加密算法的软件优化实现方法

权利要求书

1.一种SM4加密算法的软件优化实现方法，特征在于，包括：

预处理步骤，包括明文编排和密钥编排，其中明文编排将输入为256*128比特的256组128比特数据，通过比特矩阵转置变换，输出为128*256比特；密钥编排将第i轮加密的128比特密钥RK_i变换得到其中表示将RK_i每比特重复256次得到的结果；

迭代计算步骤，将256组128比特的数据表示为32轮的加密密钥记为进行32次迭代运算：其中^表示异或运算；合成置换T的输入和输出都是256组32比特，由非线性变换τ和线性变换L复合而成T(·)＝L(τ(·))；

反序计算步骤，将输出的128比特的加密数据表示为

反编排步骤，从切片后的128组256比特数据组织方式恢复到正常256组128比特数据。

2.根据权利要求1所述的SM4加密算法的软件优化实现方法，其特征在于，在迭代计算步骤中，将256组32比特输入数据表示为：其中，均为8*256比特，则

合成变换T中的非线性变换τ中的四个完全相同的代替函数S()为，其中S()的输入输出均为8*256比特数据；S_i()输入为8*256比特数据，输出为1*256比特数据，i＝0、1、2、3、4、5、6、7，为切片后的8个256比特数据，代表原始数据中256个分组中相同的8比特。

3.根据权利要求2所述的SM4加密算法的软件优化实现方法，在非线性变换的实现中，S₀～S₇在逻辑函数表达形式基础上用逻辑运算实现，逻辑表达式采用与或式的表达如下：

S₀

～a～b～d～e～g～h+～b～c～d～e h+～b～c～d～f h+～a～c～e～f g～h+～a～b～d～e～f g h+～a～c～d～e f～g～h+～a～b～d f～g h+～a～b e f～g h+～a～b～cd f h+～a～b d e～f～g～h+～a～b c～d f～h+～b c～e f～h+～a c d～e～g～h+～a～b c d～f h+～a～b c d g h+～a～b c d e～f+～a c d e g h+～a b～c～e g h+～ab～c～d e～g～h+～a b～c～d e f～g+b～d e f g h+～a b～c d f g～h+～a b～c de～f～g+～a b c～d～e f g+～a b c d f～g+～a b c d e f+b c d e f～g+a～b～c～d～f+a～b～e～f～g h+a～d～e～f g～h+a～b～c～d g h+a～c～e～f g h+a～b～c e～g～h+a～b～d e～f～g～h+a～b～d e～f g h+a～b d～e～g～h+a～b d～f～g h+a～c d e f+a～b c d～e～g+a c d～f～g h+a b～c～d～e～h+a b～d～e～f～h+a b～c～e f～g+a b～e f～g h+a b～d e～f～g h+a b～c d～e h+a b d～e～f h+a b～c d eg～h+a b c～d～f g～h+a b c～d e f～h

S₁

～a～c～d～e～g～h+～b～c～d～e～g～h+～a～b～d～e～f g+～a～d～e～f g h+～b～c～d～f gh+～b～d f～g h+～a～c d～f～g h+～a～b～c d～e g h+～b～c d～ef g h+～b d e f～g～h+～a～bc～d h+～b c～d～e～g h+～b c～d～e～f g～h+～a～b c～d e f～g+c d～e～f～g～h+～a～b c d～ef～h+～b c d e～f h+b～e f～g h+b～c e～f～g h+～a b～c～d e f～h+～a b～c d～g+～a b d～f～g～h+b～c d～g h+～a b d f～g h+b～c d～e f g～h+～a b d e～f g h+b c～e～f g h+～a b c～d～ef～h+b c～d e g～h+b c e f g～h+～a b c d～e～f～h+b c d～e f h+a～b～c～d f～g+a～c～de～f h+a～c～d e～f g+a～b～c d～e～f～h+a d e f g h+a～b c～d f g+a c～d e～f～g～h+a～bc d～e～g+a c d～e～g～h+a～b c d～f h+a～b c d f～g+ac d e g+a b～c～d～e f h+a b e～f g～h+a b～d e f g+a b c～d e～f～g+a b c e～h

S₂

～a～c～d～e～f g+～a～b～e～f g h+～a～b～d～e f h+～a～c～d～e f h+～b～c～d～e f g+～d～e f g h+～b～c～d e～g h+～a～b～d e f～h+～a～b d～e～f～g+～a～c d～e～g+～a～c d～f～g～h+～a～c d～e～f h+～b～c d～e～f h+～b～c d～e～g h+～b d e～f g h+～a～b c～d e～g～h+～a～b c e f g+～a c d～e f g～h+～a c d e f～g～h+～a b～c～d～f g～h+～a b～c f～g～h+～a b～d～e f～g～h+b～c～e f～g～h+～a b～c e f g h+b～c d e～f～g+b c～d～f～g h+b c～d e～f～h+～a b c e～f h+b c～d e～g h+～a b c～d e g～h+a～b～c～e～f～g+a～b～d～f～gh+a～b～d f g h+a～b～c～d e～g+a～b～c e～f～h+a～b～c d e g+a～c d e f～h+a～b c～d～f g+a～b c～f g～h+a～b c～e f h+a～b c e～f h+a～b c d e f～g+a b～c～e g～h+a b～d～e f g+a b～e f g h+a b d～e～f g～h+a b d～e f～g～h+a b～c d e f+a b d e f g～h+a b c e～f～g+a b c d～f h

S₃

～a～b～c～d～f～g+～a～c～e～f g h+～c～d～e g h+～c～d～e f g+～a～b～de～f～g+～a～b～c～d e～g h+～c～d e～f～g h+～c～d e～f g～h+～a～b d～f g～h+～b d～e～f g～h+～b～c d～e f～g h+～a～c d e f g h+～a～b c～d～e～h+～ac～d～e～f～g～h+～a～b c～d～e g+～b c d～f～g h+～a c d～e f g h+～a c d e～f～g h+～b c d e～f h+～a～b c d e f～h+～a b～e～f g h+～a b～c～e f～h+b～c～d～e f+b～d～e f g～h+～a b～d e～f g+～a b～c d e～g～h+～a b～c d e f+b c～e f～g h+～a b c～d e g～h+b c d～e～g～h+～a b c d f g h+a～c～d～f～gh+a～c e f～h+a～cd g～h+a～b～c d～e f+a～c d e～f h+a～b c～e～f～g+a～b c～d e f～g h+a c d～e～g+a～b c d e f g+a b～c f g+a b～d～e f g+a b～c～d e～g+a b～d e～f～g h+a b d e～f g+a b c～f g～h+a b c d e～h

S₄

～a～b～c～d～e～f g+～b～c～d～e g～h+～b～c～e～f g～h+～a～b～c～d f～h+～a～b～d e f～g+～b～d e f～g～h+～a～b～c d～g～h+～a～b d～e f～g+～c de～f～g～h+～a～b～c d e f g h+c～d～e～f～g～h+～a c～d～e f～g h+～a～b c～d～e f g+～b c f g～h+～a c～d e g～h+～a～b c d～e～f g+c d～e f～g～h+～a～b c d e～f h+～b c d e～g h+～a b～c～d g h+～a b～c e～f h+～a b～c～d e g+～a b～c e g～h+～a b～c d～f～g+b～c d～f～g～h+b～c d～e f g+～a b～c d e～f+b d e～f～g～h+～a b c～d～f g+b c d e f g+a～c～d～e～f～g+a～b～d e～f gh+a～b d～e～f～g h+a～b d～e f～h+a～b d e f～g h+a c～d～f g h+a c～d e～fh+a～b c～d e f g+a～b c d～e f+a～b c d f～g+a c d e g～h+a b～d～e～g～h+ab～d～f～g h+a b～c～d g～h+a b～c～d～e f+a b～c～d f g+a b～c e f～g～h+a b～c d～e g h+a b d～e f～g h+a b c～d～e g h+a b c e～g h+a b c d～e～h+a b cd～f g

S₅

～a～b～c～d～e～g～h+～a～d～e～f g h+～a～b～c～d f g+～a～b～c f g～h+～a～b～c～d e～f～h+～a～b e～f～g h+～b～d e f g～h+～a～b～c d～f h+～c df～g h+～b c～e～f～g～h+～a～b c～d f～g h+～a～b c e f～g+～a～b c d～f g～h+～a～b c d f g h+c d e～f～g h+～a～b c d e f+～a b～d～e～f+b～c～d～e～f～h+b～c～d～e g～h+b～c～d～f g～h+～a b～c e g～h+～a b～c～d e f～g+b～c～d e f～g～h+～a b d e f h+b～c d e f g～h+～a b c～d～f～h+～a b c～f～g～h+～a b c～e～f g+b c～d e～f～g～h+～a b c e f g h+～a b c d～e～h+～a b c d eh+a～b～c～e～g h+a～c～e f h+a～e f～g h+a～b～c～d e～f h+a～b d～e～f g+a～c d e～f～g～h+a～b d e f～g+a～b c～d～e～f h+a c e f～g～h+a c～d e f g+a～b c d～e f+a b～c d～e f～g+a b～c d e～f～g+a b c～e g～h+a b c～d f+ab cd～f g

S₆

～a～b～c～f～g～h+～a～c～d～f～g～h+～a～b～c～e g h+～a～b～d e～f～g～h+～b～c～d e～f h+～a～b e f～g h+～a～b～c d～e～f+～a～b～c d～e～g+～a～c d e～f g+～a～b d e f g～h+～b c～e～f～g h+～a～b c～d f h+～b c～d e～fg+～a c e g h+c d e～f h+～a b～c～d～e～g+～a b～d～e～f～h+～a b～d～e～g～h+b～c～d f～g～h+～a b～c～e f g+b～d～e f g h+b～c～d e f～h+～a b～c d～fh+～a b～c d e～g h+b d e～f g h+～a b c～e～f g+～a b c e～f h+～a b c d～ef+b c d e～f g+a～b～c～d～f+a～b～c～f～g h+a～b～d～e～g h+a～c～d～e～f h+a～d～e～fg+a～b e～f g～h+a～b d～e f～h+a～c d～e f g～h+a～b～c d e f g h+a～b c g～h+a～b c～e f～h+a c～d f～g h+a c～d f g～h+a～b c～d e g+a～b c d～e f g+a～b c d e～f+a b～c d～e～f～g～h+a b c d f～g～h+a b c d e f～g

S₇

～a～c～d～e g～h+～b～c～d f h+～b～c f g h+～a～d e f～g h+～a～b～c d～e～f～g+～a～cd f g h+～a～c d e～f g～h+～b d e f～g～h+～a～b c～d f～g+～a～b c f～g～h+～a c～d e～g～h+～b c～d e～f g+～b c d～e～f h+～b c d～eg h+～a～b c d e～g h+～b c d e f～h+b～c～d～e～g+b～c～d～f～g+b～c～e～f～g h+b～c～e～f g～h+～a b～e f～g～h+～a b～c～d f g～h+～a b～c e～f h+b～de～f g h+～a b～c d e g+b c～e f g～h+～a b c～d e f h+～a b c d～f g h+～a bc d～e f～g+a～b～c～d～g h+a～c～d～e f h+a～b～c e～f～g+a～c e～f～g～h+a～b～c e f～h+a～d e f～g～h+a d～e～f g～h+a～b～c d f～g～h+a～b d e f g+a～b c～e～f～g～h+a～b c～d e h+a～b c d～f～g+a～b c d～e h+a b～d～f～g+a b～c d～e f+a b d e f～g h+ab c～d～f～h+ab c d e～h

上式中a，b，c，d，e，f，g，h为顺序排列的8组256比特输入，～为非运算，+为或运算，与运算*省略，运算优先级为～＞*＞+。

4.根据权利要求3所述的SM4加密算法的软件优化实现方法，其特征在于，对于S₀～S₇中任意一个逻辑函数，表达为以下“选择函数”形式之一；

选择函数的形式为：

F_o＝(F₁ and sel)or(F₂ and not sel)

F_o＝(F₃ and sel)xor F₂

F_o＝(F₃ and not sel)xor F₁

F_o＝(F₄ or sel)xor not F₁

F_o＝(F₄ or not sel)xor not F₂

F_o＝(F₄ nand sel)xor F₂

F_o＝(F₄ nand not sel)xor F₁

F_o＝(F₃ nor sel)xor not F₁

F_o＝(F₃ nor not sel)xor not F₂

其中F₃＝F₁ xor F₂，F₄＝not F₃，A nand B＝not A and B，A nor B＝not A or B；

其中F_o为n输入单输出逻辑函数，sel为a～h中任一位输入，F₁、F₂为与sel位无关的n-1位输入单输出的逻辑函数。