SM3算法的編程實現

• SM3算法的編程實現
• • 【實驗目的】
  • 【實驗環境】
  • 【實驗預備知識點】
  • 【實驗步驟】
  • 【實驗思考題】

SM3算法的編程實現

【實驗目的】

1、理解Hash函數的計算原理和特點；
2、理解SM3算法原理；
3、了解SM3值的生成過程。

【實驗環境】

windows虛擬機
在目錄C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\MyProjects\SM3 下打開SM3.dsw，在VC6.0環境下編譯代碼。

【實驗預備知識點】

設消息m的長度為l bit，首先將bit"1"添加到消息末尾，再加k個“0”，k是滿足l+1+k =448 mod 512的最小非負整數。然后再添加一個64bit串，該串是l的二進制表示，填充后的消息m’長度為512的整數倍。填充過后，再經迭代壓縮，最后經過散列運算即可得到結果。

主流程圖

圖 1主流程圖

程序調用層次圖

圖 2程序調用關系圖.

程序調用關系圖

圖 3程序調用關系圖.
【實驗內容】
SM3算法是國家密碼管理局2010年12月頒布的密碼雜湊算法，適用于商用密碼應用中的數字簽名和驗證、消息認證碼的生成與驗證以及隨機數的生成。SM3算法對于長度小于264位的消息，產生一個256位的消息摘要。算法以512位分組來處理輸入的信息，每一分組又被劃分為132個32位子分組，經過一系列的處理后，算法的輸出由八個32位分組組成，將這些32位分組級聯后產生一個256位的散列值。

【實驗步驟】

以下是程序的關鍵代碼：

//SM3.C void sm3_starts( sm3_context *ctx ) {ctx->total[0] = 0;ctx->total[1] = 0;ctx->state[0] = 0x7380166F;ctx->state[1] = 0x4914B2B9;ctx->state[2] = 0x172442D7;ctx->state[3] = 0xDA8A0600;ctx->state[4] = 0xA96F30BC;ctx->state[5] = 0x163138AA;ctx->state[6] = 0xE38DEE4D;ctx->state[7] = 0xB0FB0E4E; }static void sm3_process( sm3_context *ctx, unsigned char data[64] ) {unsigned long SS1, SS2, TT1, TT2, W[68],W1[64];unsigned long A, B, C, D, E, F, G, H;unsigned long T[64];unsigned long Temp1,Temp2,Temp3,Temp4,Temp5;int j;for(j = 0; j < 16; j++)T[j] = 0x79CC4519;for(j =16; j < 64; j++)T[j] = 0x7A879D8A;GET_ULONG_BE( W[ 0], data, 0 );GET_ULONG_BE( W[ 1], data, 4 );GET_ULONG_BE( W[ 2], data, 8 );GET_ULONG_BE( W[ 3], data, 12 );GET_ULONG_BE( W[ 4], data, 16 );GET_ULONG_BE( W[ 5], data, 20 );GET_ULONG_BE( W[ 6], data, 24 );GET_ULONG_BE( W[ 7], data, 28 );GET_ULONG_BE( W[ 8], data, 32 );GET_ULONG_BE( W[ 9], data, 36 );GET_ULONG_BE( W[10], data, 40 );GET_ULONG_BE( W[11], data, 44 );GET_ULONG_BE( W[12], data, 48 );GET_ULONG_BE( W[13], data, 52 );GET_ULONG_BE( W[14], data, 56 );GET_ULONG_BE( W[15], data, 60 );#define FF0(x,y,z) ( (x) ^ (y) ^ (z)) #define FF1(x,y,z) (((x) & (y)) | ( (x) & (z)) | ( (y) & (z))) #define GG0(x,y,z) ( (x) ^ (y) ^ (z)) #define GG1(x,y,z) (((x) & (y)) | ( (~(x)) & (z)) ) #define SHL(x,n) (((x) & 0xFFFFFFFF) << n) #define ROTL(x,n) (SHL((x),n) | ((x) >> (32 - n)))#define P0(x) ((x) ^ ROTL((x),9) ^ ROTL((x),17)) #define P1(x) ((x) ^ ROTL((x),15) ^ ROTL((x),23))for(j = 16; j < 68; j++ ){Temp1 = W[j-16] ^ W[j-9];Temp2 = ROTL(W[j-3],15);Temp3 = Temp1 ^ Temp2;Temp4 = P1(Temp3);Temp5 = ROTL(W[j - 13],7 ) ^ W[j-6];W[j] = Temp4 ^ Temp5;}for(j = 0; j < 64; j++){W1[j] = W[j] ^ W[j+4];}A = ctx->state[0];B = ctx->state[1];C = ctx->state[2];D = ctx->state[3];E = ctx->state[4];F = ctx->state[5];G = ctx->state[6];H = ctx->state[7];for(j =0; j < 16; j++){SS1 = ROTL((ROTL(A,12) + E + ROTL(T[j],j)), 7);SS2 = SS1 ^ ROTL(A,12);TT1 = FF0(A,B,C) + D + SS2 + W1[j];TT2 = GG0(E,F,G) + H + SS1 + W[j];D = C;C = ROTL(B,9);B = A;A = TT1;H = G;G = ROTL(F,19);F = E;E = P0(TT2);}for(j =16; j < 64; j++){SS1 = ROTL((ROTL(A,12) + E + ROTL(T[j],j)), 7);SS2 = SS1 ^ ROTL(A,12);TT1 = FF1(A,B,C) + D + SS2 + W1[j];TT2 = GG1(E,F,G) + H + SS1 + W[j];D = C;C = ROTL(B,9);B = A;A = TT1;H = G;G = ROTL(F,19);F = E;E = P0(TT2);}ctx->state[0] ^= A;ctx->state[1] ^= B;ctx->state[2] ^= C;ctx->state[3] ^= D;ctx->state[4] ^= E;ctx->state[5] ^= F;ctx->state[6] ^= G;ctx->state[7] ^= H;} void sm3_update( sm3_context *ctx, unsigned char *input, int ilen ) {int fill;unsigned long left;if( ilen <= 0 )return;left = ctx->total[0] & 0x3F;fill = 64 - left;ctx->total[0] += ilen;ctx->total[0] &= 0xFFFFFFFF;if( ctx->total[0] < (unsigned long) ilen )ctx->total[1]++;if( left && ilen >= fill ){memcpy( (void *) (ctx->buffer + left),(void *) input, fill );sm3_process( ctx, ctx->buffer );input += fill;ilen -= fill;left = 0;}while( ilen >= 64 ){sm3_process( ctx, input );input += 64;ilen -= 64;}if( ilen > 0 ){memcpy( (void *) (ctx->buffer + left),(void *) input, ilen );} }static const unsigned char sm3_padding[64] = {0x80, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 };void sm3_finish( sm3_context *ctx, unsigned char output[32] ) {unsigned long last, padn;unsigned long high, low;unsigned char msglen[8];high = ( ctx->total[0] >> 29 )| ( ctx->total[1] << 3 );low = ( ctx->total[0] << 3 );PUT_ULONG_BE( high, msglen, 0 );PUT_ULONG_BE( low, msglen, 4 );last = ctx->total[0] & 0x3F;padn = ( last < 56 ) ? ( 56 - last ) : ( 120 - last );sm3_update( ctx, (unsigned char *) sm3_padding, padn );sm3_update( ctx, msglen, 8 );PUT_ULONG_BE( ctx->state[0], output, 0 );PUT_ULONG_BE( ctx->state[1], output, 4 );PUT_ULONG_BE( ctx->state[2], output, 8 );PUT_ULONG_BE( ctx->state[3], output, 12 );PUT_ULONG_BE( ctx->state[4], output, 16 );PUT_ULONG_BE( ctx->state[5], output, 20 );PUT_ULONG_BE( ctx->state[6], output, 24 );PUT_ULONG_BE( ctx->state[7], output, 28 ); } void sm3( unsigned char *input, int ilen,unsigned char output[32] ) {sm3_context ctx;sm3_starts( &ctx );sm3_update( &ctx, input, ilen );sm3_finish( &ctx, output );memset( &ctx, 0, sizeof( sm3_context ) ); } int sm3_file( char *path, unsigned char output[32] ) {FILE *f;size_t n;sm3_context ctx;unsigned char buf[1024];if( ( f = fopen( path, "rb" ) ) == NULL )return( 1 );sm3_starts( &ctx );while( ( n = fread( buf, 1, sizeof( buf ), f ) ) > 0 )sm3_update( &ctx, buf, (int) n );sm3_finish( &ctx, output );memset( &ctx, 0, sizeof( sm3_context ) );if( ferror( f ) != 0 ){fclose( f );return( 2 );}fclose( f );return( 0 ); } void sm3_hmac_starts( sm3_context *ctx, unsigned char *key, int keylen ) {int i;unsigned char sum[32];if( keylen > 64 ){sm3( key, keylen, sum );keylen = 32;key = sum;}memset( ctx->ipad, 0x36, 64 );memset( ctx->opad, 0x5C, 64 );for( i = 0; i < keylen; i++ ){ctx->ipad[i] = (unsigned char)( ctx->ipad[i] ^ key[i] );ctx->opad[i] = (unsigned char)( ctx->opad[i] ^ key[i] );}sm3_starts( ctx);sm3_update( ctx, ctx->ipad, 64 );memset( sum, 0, sizeof( sum ) ); } void sm3_hmac_update( sm3_context *ctx, unsigned char *input, int ilen ) {sm3_update( ctx, input, ilen ); } void sm3_hmac_finish( sm3_context *ctx, unsigned char output[32] ) {int hlen;unsigned char tmpbuf[32];hlen = 32;sm3_finish( ctx, tmpbuf );sm3_starts( ctx );sm3_update( ctx, ctx->opad, 64 );sm3_update( ctx, tmpbuf, hlen );sm3_finish( ctx, output );memset( tmpbuf, 0, sizeof( tmpbuf ) ); } void sm3_hmac( unsigned char *key, int keylen,unsigned char *input, int ilen,unsigned char output[32] ) {sm3_context ctx;sm3_hmac_starts( &ctx, key, keylen);sm3_hmac_update( &ctx, input, ilen );sm3_hmac_finish( &ctx, output );memset( &ctx, 0, sizeof( sm3_context ) ); }

程序運行結果
輸入明文1234abc，得到相應的消息摘要

圖 4程序運行結果.

【實驗思考題】

請總結SM3與MD5，SHA1的異同。
（1） 算法結構不同
在消息填充方面，幾個hash算法基本相同，都是先在原始消息的最后加一位“1”，再添加k個“0”，最終要使l+1+k除以512后的余數為448，取其最小的非負整數。然后用一個64位的比特串標識原始消息的長度l。填充后的消息M正好是512位的倍數。（其中）
SM3算法的壓縮函數與SHA-256的壓縮函數具有相似的結構,但是SM3算法的設計更加復雜,比如壓縮函數的每一輪都使用2個消息字。

（2） 安全性不同
摘要函數在密碼學中具有重要的地位,被廣泛應用在數字簽名,消息認證,數據完整性檢測等領域。摘要函數通常被認為需要滿足三個基本特性：碰撞穩固性,原根穩固性和第二原根穩固性。
即：
●對于任何一個給定的消息，它都很容易就能運算出散列數值。
●難以由一個已知的散列數值，去推算出原始的消息。
●在不更動散列數值的前提下，修改消息內容是不可行的。
●對于兩個不同的消息，它不能給與相同的散列數值。

2005年,Wang等人給出了MD5算法和SHA-1算法的碰撞攻擊方法，現今被廣泛應用的MD5算法和SHA-1算法不再是安全的算法。
SM3密碼摘要算法是中國國家密碼管理局2010年公布的中國商用密碼雜湊算法標準。SM3算法適用于商用密碼應用中的數字簽名和驗證，是在SHA-256基礎上改進實現的一種算法。SM3算法采用Merkle-Damgard結構，消息分組長度為512位，摘要值長度為256位。現今為止，SM3算法的安全性相對較高。

（3） 效率不同
MD5、SHA1、SH2-256與SM3的對比：

2. SM3算法如何保證其安全性？
SM3算法也是一種哈希算法，是我國自主設計的密碼雜湊算法，適用于商用密碼應用中的數字簽名和驗證消息認證碼的生成與驗證以及隨機數的生成，可滿足多種密碼應用的安全需求。為了保證雜湊算法的安全性，其產生的雜湊值的長度不應太短，例如MD5輸出128比特雜湊值，輸出長度太短，影響其安全性SHA-1算法的輸出長度為160比特，SM3算法的輸出長度為256比特，因此SM3算法的安全性要高于MD5算法和SHA-1算法。
1、算法的本質
給數據加一個固定長度的指紋，這個固定長度就是256比特。
2、處理過程
第一步：填充，使填充后的數據的長度是512的整數倍
先在數據的最尾巴上加一個1；然后把原始數據的長度用64比特表示，放在最后面；再看看現在的數據的長度值離512的整數還差多少個，差多少個就填多少個0在加的這個1和64比特的長度之間。
第二步：分組
把填充后的信息按照512比特一個分組進行分組，如果分成了N組，就是b(0),b(1),b(N-1)
第三步：迭代壓縮得到最后的雜湊值（哈希值）
IV(n)=CF(IV(n-1),b(n-1))
如果信息分為N組，那么IV（N）就是最后得到的雜湊值。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的SM3算法的编程实现的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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