低复杂度SM4加密算法IP核设计

安全 性要 求较 高 ， 而且 对 终 端 节 点 的成 本 和 功耗 要
求很高的应用场合。所设计 的 Ｉ Ｐ核 已经成功应用
于机 载 Ｓ Ａ Ｒ数 据加 密 系统 中。
国内官方 公 布 的 ， 第 一 个 商用 密 码算 法 ， 并 且 在 ２ ０ １ ２ 年３ 月与《 祖 冲之序列密码算法》 、 《 Ｓ Ｍ ２椭 圆 曲线公钥密码算法》 、 《 Ｓ Ｍ ３密码杂凑算法》 、 《 随机 性检测规范》 和《 密码应用标识规范》 等被 国家密码
计的Ｉ Ｐ核支 持 Ｅ Ｃ Ｂ与每 组 数据 的加 密 密钥都 实 时更新 的两种 工作模 式。在 Ａ ｌ ｔ ｅ ｒ ａ的 Ｃ ｙ ｃ ｌ ｏ ｎ ｅ Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 以及 Ｓ Ｍ Ｉ Ｃ ０ ． １ ８ ｍ
Ｃ ＭＯ Ｓ工 艺下进行 了综合 ， 所 占用资源分别为 １ ７ ０ ４个逻 辑单 元和 ０ ． １ １ ３ ｍｍ 。
第１ ３卷
第 ２期
２ ０ １ ３年 １ 月
科
学
技
术
与
工
程
Ｖｏ １ ． １ ３ Ｎ ｏ ． ２ Ｊ ａ ｎ ．２ ０ １ ３
１ ６ ７ １ —１ ８ １ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ — ０ ３ ４ ７ — ０ ５
Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
１ ． １ 加 密算 法和 解密 算 法描述 定义 ｚ ； 为 ｅ比特 的 向量 集 ，＜ ＜＜ ｉ 为３ ２ ｂ ｉ ｔ 的循 环 左移 位 ， ① 为３ ２ ｂ ｉ ｔ 异或 。
初衷是应用于无线局域网的信息安全产 品中， 但是 对于其它传输数据需要加密 的场 合也有很高 的应 用价值 。此外 ， 与无线局域 网要求很大 的数据吞吐 量不同， 许多应 用场 合对数 据吞 吐量 的要求 并 不
（ ２ ）
的可逆 变换 ， 由
非线 性变 换 和 线 性 变换 Ｌ复合 而成 ， 即 （ ・ ）＝ ￡ （ ｒ （ ・ ） ） 。非 线 性 变 换 丁由 ４个 并 行 的 盒 构 成 。
第一作者简介 ： 王晨 光 （ １ ９ ８ ８ 一） ， 男， 山西人 ， 硕 士研究 生。研究 方
向： 滤 波 器 组 调 制 和 电 力 线 载 波 通 信 。Ｅ－ ｍａ ｉ ｌ ：ｗ ａ ｎ ｇ ｃ ｈ ｇ １ ９ ８ ９＠
１ ２ ６． ｔ ｏ ｍ。
设输入为Ａ＝（ Ｃ ／ 。 ， ， ｎ ， 口 ： ， 口 ， ）∈（ Ｚ ； ） ， 输出为Ｂ＝
（ ｂ ｏ ， ｂ １ ， ｂ ２ ， ｂ ３ ）∈ （ ） ， 则
＠ ２ ０ １ ３ Ｓ ｃ ｉ ． Ｔ ｅ ｃ ｈ ． Ｅ ｎ ｇ ｒ ｇ ．
低复杂度 Ｓ Ｍ４加 密算法 Ｉ Ｐ核设计
王晨光 乔 树 山 黑 勇
（ 中国科学院微电子研究所 ， 北京 １ ０ ０ Байду номын сангаас ２ ９ ）
摘
要
针对数据吞吐量要求不高 ， 但面积和成本要求严格 的应用 场合 ， 设计 了一款低 复杂度 的 Ｓ Ｍ４加密算法 Ｉ Ｐ核 。所设
管理 局批 准为 密码行 业 标准 。
１ Ｓ Ｍ４工作 原理
Ｓ Ｍ ４算法是一种分组密码算法， 其分组长度和 密钥长度均为 １ ２ ８比特。加密算法与密钥扩展算法
都 采用 ３ ２轮非 线 性 迭代 结 构 。加 密 算 法 与解 密 算
Ｓ Ｍ ４算法采用非平衡 Ｆ ｅ ｉ ｓ ｔ ｅ ！ 结构 ｌ ４ ｊ ， 具有较 强的抗差分攻击能力 ｊ ， 其安全性 已达 欧美 分组 密码的标准 。目前 ， Ｓ Ｍ ４算法已广泛应用于无线
３ ４ ８
科
学
技
ｚ ｉ ， ＝０ ， １ ， …， ３ １ 。 则该算法的加密过程为
Ｘ ＝Ｆ （ Ｘ ， Ｘ… ， Ｘ ｍ， 置＋ ３ ， ｒ ｋ ） ＝Ｘ ①ｒ （ ｘ … ①
置＋ ２ ① 置＋ 。 ① ） ； ＝０ ， １ ， …， ３ １ （ １ ）
（ Ｙ ｏ ， Ｙ ， ｙ ２ ， ｙ ３ ）＝（ ３ ５ ， ３ ， ３ ３ ， ３ ２ ） 在式 （ １ ） 中， （ ・ ）为 一
关键词
Ｓ Ｍ ４
Ｉ Ｐ核 Ｔ Ｐ ３ ０ ９ ． ７ ；
低复杂度
Ｆ Ｐ Ｇ Ａ
Ａ Ｓ Ｉ Ｃ
中图法分类号
文 献标志码
Ａ
Ｓ Ｍ ４加密算法 即原 Ｓ Ｍ Ｓ ４算法¨ Ｊ ， 它是 由国家
商用 密 码 管理 办 公 室 于 ２ ０ ０ ６年 １月 公 布 的用 于无 线局 域 网产 品 的分 组 对 称 密 码 算 法 。 Ｓ Ｍ ４算 法 是
高 。此 时 ， 面积最小 、 功 耗 最 低 才 是 主 要 的约 束 指
设明文输入为 （ ， ， ， 。 ）∈（ ｚ ； ） ， 密文
输出为 （ ｙ ０ ， ｙ ， ｙ ２ ， ｙ ３ ）∈ （ ｚ ） ， 轮 密钥 为 ｒ ｋ ∈
标。在分析 Ｓ Ｍ ４ 加密算法的基础上 ， 对Ｓ Ｍ ４ 算法的
硬件 实 现 结 构 进 行 了优 化 ， 设 计 了一 款 面 积 开 销 小、 吞 吐量适 中 的 Ｉ Ｐ核 。该 Ｉ Ｐ核 以很 少 的硬 件 开 销完 成 了 Ｓ Ｍ ４算法 的加 密功 能 ， 适 用 于对 传 输数 据
２ ０ １ ２年 ８月 ２ １日收到 核高基（ ２ ０ ０ ９ ｚ ｘ ０ １ ０ ３ ４ — ０ ０ ２ － ０ ０ ４ － ０ ０ ７（ ０ ０ ２ ） ） 资助
移 动 网络 文 本 数 据 安 全 保 护 Ｊ 。虽 然 Ｓ Ｍ４的 设 计
法 的结构相 同， 仅是轮密钥 的使用次序相反。解密 算法使用的轮密钥是加密算法使用 的轮密钥 的逆
序， 即若 加 密时 使用 的轮 密钥 为 ｒ ０～ｒ ３ ， 则解 密 时
使用的轮密钥为 ｒ 一ｒ ０ 。