SM4分組密碼算法可編程實現(xiàn)研究*

李 軍，何衛(wèi)國

（成都三零嘉微電子有限公司，四川 成都 610041）

0 引 言

近年來，信息安全的重要性日益突出，要求安全系統(tǒng)具有靈活的自適應(yīng)能力和柔性的安全服務(wù)提供能力[1]。在此背景下，成都三零嘉微電子有限公司自主研發(fā)了一款面向?qū)ΨQ密碼可編程實現(xiàn)的對稱密碼引擎SCE（Symmetric Cipher Engine）。SCE采用超長指令字結(jié)構(gòu)（VeryLong Instruction Word，VLIW），適用于分組密碼算法、序列密碼算法和雜湊密碼算法等應(yīng)用。通過研究基于SCE的SM4分組密碼算法的不同實現(xiàn)方案，探究基于SCE提高對稱密碼算法加解密性能的相關(guān)思路。

1 SM4密碼算法介紹

SM4分組密碼算法[2]是我國第一個公開的商密分組密碼算法，分組長度為128 bit，密鑰長度為128 bit。加密算法與密鑰擴展算法都采用32輪非線性迭代結(jié)構(gòu)。解密算法與加密算法的結(jié)構(gòu)相同，只是輪密鑰的使用順序相反，解密輪密鑰是加密輪密鑰的逆序。SM4分組密碼算法的加密流程，如圖1所示。

圖1 SM4分組密碼算法加密流程

圖1中，τ變換由4個并行的S盒構(gòu)成。設(shè)輸入為輸出則有：

L變換是一個線性變換，設(shè)輸入輸出則有：

rki(i=0,1,…,31)為輪密鑰，長度為32 bit。

2 SCE介紹

可編程對稱密碼引擎SCE作為一款面向?qū)ΨQ密碼應(yīng)用的協(xié)處理器，結(jié)構(gòu)如圖2所示，并具有以下特點。

（1）采用超長指令字結(jié)構(gòu)，處理器中并列放置4個短功能單元SFU（Short Function Unit，執(zhí)行32 bit運算）和1個長功能單元LFU（Long Function Unit，執(zhí)行128 bit運算），每個周期可以并行執(zhí)行4條短功能指令SINS（Short Instruction）或者1條長功能指令LINS（Long Instruction）；

（2）片內(nèi)集成了大規(guī)模的通用寄存器堆；

（3）包含了大量面向?qū)ΨQ密碼算法的專用指令，包括布爾函數(shù)指令、移位指令、模加/減指令、模乘指令、有限域乘法指令、查找表指令以及置換指令等；

（4）密碼運算指令和控制指令并行執(zhí)行；

（5）片內(nèi)集成有專門存儲密鑰參數(shù)的存儲器，通過數(shù)據(jù)傳輸指令訪問。

圖2 可編程對稱密碼引擎SCE結(jié)構(gòu)

基于可編程對稱密碼引擎SCE，執(zhí)行密碼算法的流程如下：

（1）基于自定義的SCE指令集編程實現(xiàn)算法；

（2）將算法代碼編譯為二進制碼；

（3）通過算法程序加載命令，將該二進制碼輸入引擎；

（4）通過密鑰參數(shù)加載命令，將相關(guān)的主密鑰和參數(shù)輸入引擎；

（5）通過算法啟動命令啟動算法；

（6）輸入待處理數(shù)據(jù)；

（7）讀出加解密結(jié)果。

3 SM4密碼算法的常規(guī)實現(xiàn)

根據(jù)如圖2所示的SM4分組密碼算法加密輪函數(shù)結(jié)構(gòu)和SCE提供的密碼運算資源，可用布爾函數(shù)指令、查表指令以及布爾函數(shù)指令，分別實現(xiàn)查表前的異或運算、查表運算、L變換以及與Xi的異或。此外，還需保證輪函數(shù)更新與輪函數(shù)入口地址的一致性。例如，第i輪輪函數(shù)運算完成后，Xi需被替換為Xi+1，Xi+1需被替換為Xi+2，Xi+2需被替換為 Xi+3，Xi+4需被替換為 Xi+4，i=0,1,…,31。基于以上兩點考慮，SM4分組密碼算法的ECB加密模式實現(xiàn)流程，如表1所示。根據(jù)表1，整個加密過程合計2+3×32+1=99個時鐘周期，SCE工作頻率為100 MHz，加密速率為129.3 Mb/s。

表1 SM4密碼算法ECB加密模式常規(guī)實現(xiàn)指令流程

4 SM4密碼算法的高速實現(xiàn)

由SM4分組密碼算法的常規(guī)實現(xiàn)方式可知，它的輪運算第一個周期和第三個周期都是異或運算，而SCE在一個時鐘周期內(nèi)可實現(xiàn)12個操作數(shù)的異或運算，因此可以考慮將輪尾的L變換與下一輪輪首的異或運算合并在一個周期完成。經(jīng)過優(yōu)化后的算法實現(xiàn)方式，如表2所示。根據(jù)表2，整個加密過程共消耗了2+8×8+2=68個時鐘周期，SCE工作頻率為100 MHz，加密速率為188.2 Mb/s，加密性能比常規(guī)實現(xiàn)方式提升了45.59%。

表2 SM4密碼算法ECB加密模式高速實現(xiàn)指令流程

序號 簇3 簇2 簇1 簇0 控制簇X4i+5⊕X4i+6 10 X4i+5更新U并異或簇1的結(jié)果即X4i+5⊕X4i+6⊕X4i+7記為A更新V H⊕(H>>>2)⊕(H>>>10)并異或簇0的結(jié)果，得到X4i+7更新S(H>>>18)⊕X4i+3⊕(H>>>24)如果計數(shù)器cnt0≤7，跳轉(zhuǎn)至指令3 11 X35 X35⊕A⊕X33實際得到X34 X33——跳轉(zhuǎn)到指令1加載下一個分組注：1.i表示輪函數(shù)的輪數(shù)，初始值為0，每循環(huán)執(zhí)行一次，i=i+1；2.指令3～指令10為四輪加密輪結(jié)構(gòu)；3.指令2中，記簇3、簇2、簇1和簇0運算結(jié)果的存儲寄存器分別為U、V、S和T，為四輪加密輪結(jié)構(gòu)的入口寄存器。12 輸出128比特加密結(jié)果X35、X34、X33和X32

5 結(jié) 語

本文通過將SM4分組密碼算法加密輪結(jié)構(gòu)首尾的異或運算合并為一次異或運算，并四輪加密作為一個整體進行處理，使SM4分組密碼算法在SCE上的加密性能提高了45.59%。后續(xù)將研究其他密碼算法在SCE上的高速實現(xiàn)，一方面為SCE的使用者提供算法高速實現(xiàn)的思路，另一方面為SCE今后的改進指出方向。

[1] 肖瑋,陳性元,包義保.可重構(gòu)信息安全系統(tǒng)研究綜述[J].電子學(xué)報,2017(05):1240-1248.XIAO Wei,CHEN Xing-yuan,BAO Yi-bao.Review on the Research of Reconfigurable Information Security System[J].Acta Electronica Sinica,2017(05):1240-1248.

[1] 國家密碼管理局.GM/T 0002-2012 SM4分組密碼算法[S].2012.State Cryptography Administration.GM/T 0002-2012 SM4 Block Cipher Algorithm[S].2012.