硬件实现SMS4密码算法的研究

王艳红　付世冲

摘 要：随着现代信息技术的快速发展，信息安全已经成为信息化社会最重要、最关键的问题之一。SMS4密码算法是我国自主研发的商用密码，是我国官方公布的第一个商用加密算法，使用软件对传输的信息进行加密，容易给攻击者采用分析程序、跟踪、反编译等手段进行攻击，而硬件加密算法比软件实现更快捷、更安全，文章提出了一种利用FPGA实现分组加密算法SMS4的硬件实现方法，通过ISE仿真验证了其正确性。

关键词：SMS4；FPGA；硬件加密

引言

SMS4[1]密码算法是国内公布的第一个用于无线局域网产品的商用密码算法，无线局域网具有工作效率高、轻巧灵活、安装成本低等特点，但是无线局域网是开放性的，其安全性令人担忧。

文章通过分析SMS4[2]密码算法的过程，采用C语言和Verilog HDL语言编程，使用VC6.0和ISE 14.2仿真，将其结果进行对比验证。证明硬件加密具有较高的加解密速度、将密码算法固化在硬件中，算法不容易被修改，提高了系统的安全性等特点。

1 SMS4加密算法

SMS4[3]是国家密码管理办公室2006年公布的应用于无线局域网产品的分组密码算法、分组长度为128比特，密钥长度为128比特、是使用典型的Feistel网络结构的分组密码算法，密码算法主要包含轮密钥算法、加密算法和解密算法[3]。

Feistel网络在1973年首次踏上历史舞台，Feistel网络结构中，加密算法输入的数据是一个长度为2？棕比特的明文分组和秘钥K，明文被分成L0和R0。L0和R0经过n轮的处理后组合起来产生密文。Feistel网络结构对左边一半进行替换操作，即对数据右边一半应用Round函数F，将此函数的输出与左边一半数据进行异或。每一轮Round函数都相同，只是每一轮的子密钥Ki不相同，（FK0，FK1，FK2，FK3，CKi，sbox中的数据都是常数）。

1.1 轮密钥算法

RKi即为第i轮加密的密钥。

SMS4密码算法中主要包括异或、移位、查表等基本的运算。异或模块的运算单元都是128位的二进制数值，其运算结果由2个操作数决定；与运算模块是将128位的数据分割为4个32位的数据；移位运算模块在SMS4算法中使用频率较高，其将输入的128位数据向左循环移动i位。

1.3 解密算法

当对方接收到经过加密运算的密文时，需要进行32轮迭代的解密运算。解密运算和加密运算的结构相同，只是密钥的使用顺序相反。

2 SMS4加解密算法的实现

2.1 C语言实现SMS4密码算法

软件实现加解密算法产生密钥很麻烦，受到素数产生技术的限制，难以做到一次一密，而且SMS4加密算法的安全性依赖于密码算法本身，当攻击者窃取到密钥和密文后，通过计算就能得到实际传输的信息。

2.2 Verilog HDL实现密码算法

FPGA 继承了ASIC的大规模、高集成度、高可靠性等优点，同时又避免了设计周期长、投资大、灵活性差等缺点。完整的FPGA设计包含输入、功能仿真、综合、综合后仿真、实现、布线后仿真和下载调试等步骤。文章采用Verilog HDL编写代码、Xilinx公司的ISE 14.2平台输入代码，自带的仿真器ISim进行仿真。

3 结束语

分析SMS4密码算法的软件和硬件实现方法，软件实现加解密算法密钥的管理较复杂、密钥分配协议有缺陷，软件加密是在用户的计算机内部进行，攻击者采用分析程序进行跟踪、反编译等手段进行攻击。硬件实现加解密算法具有较高的加解密速度，将密码算法固化在硬件中，使算法不容易被修改，提高了系统的安全性，加密芯片采用 EDA技术，将密码算法固化在硬件专用芯片FPGA中，具有防篡改、防泄露等较高的安全性。硬件实现加解密算法比软件实现更快捷、更安全。

参考文献

[1]Gao X， Lu E， Xian L， et al. FPGA implementation of the SMS4 block cipher in the Chinese WAPI standard[C].Embedded Software and Systems Symposia， 2008. ICESS Symposia'08. International Conference on. IEEE， 2008： 104-106.

[2]Husen W， Shuguo L. High Performance FPGA Implementation for SMS4[M].High Performance Networking， Computing， and Communication Systems. Springer Berlin Heidelberg， 2011： 469-475.

[3]JIN Y ER，SHEN H B，YOU R Q.Implementation of SMS4 block ciper on FPGA[C]. Communications and Networking in China，2006：1-4.

作者简介：王艳红（1988-），女，贵州大学电子信息学院硕士研究生，主要研究方向：电路系统设计自动化。