SM3算法的编程实现

【实验目的】

1、理解Hash函数的计算原理和特点；
2、理解SM3算法原理；
3、了解SM3值的生成过程。

【实验环境】

windows虚拟机
在目录C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\MyProjects\SM3 下打开SM3.dsw，在VC6.0环境下编译代码。

【实验预备知识点】

设消息m的长度为l bit，首先将bit"1"添加到消息末尾，再加k个“0”，k是满足l+1+k =448 mod 512的最小非负整数。然后再添加一个64bit串，该串是l的二进制表示，填充后的消息m’长度为512的整数倍。填充过后，再经迭代压缩，最后经过散列运算即可得到结果。

主流程图

图 1主流程图

程序调用层次图

图 2程序调用关系图.

程序调用关系图

图 3程序调用关系图.
【实验内容】
SM3算法是国家密码管理局2010年12月颁布的密码杂凑算法，适用于商用密码应用中的数字签名和验证、消息认证码的生成与验证以及随机数的生成。SM3算法对于长度小于264位的消息，产生一个256位的消息摘要。算法以512位分组来处理输入的信息，每一分组又被划分为132个32位子分组，经过一系列的处理后，算法的输出由八个32位分组组成，将这些32位分组级联后产生一个256位的散列值。

【实验步骤】

以下是程序的关键代码：

//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 ) );
}

程序运行结果
输入明文1234abc，得到相应的消息摘要

图 4程序运行结果.

【实验思考题】

请总结SM3与MD5，SHA1的异同。
（1）算法结构不同
在消息填充方面，几个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个“0”，最终要使l+1+k除以512后的余数为448，取其最小的非负整数。然后用一个64位的比特串标识原始消息的长度l。填充后的消息M正好是512位的倍数。（其中）
SM3算法的压缩函数与SHA-256的压缩函数具有相似的结构,但是SM3算法的设计更加复杂,比如压缩函数的每一轮都使用2个消息字。

（2）安全性不同
摘要函数在密码学中具有重要的地位,被广泛应用在数字签名,消息认证,数据完整性检测等领域。摘要函数通常被认为需要满足三个基本特性：碰撞稳固性,原根稳固性和第二原根稳固性。
即：
●对于任何一个给定的消息，它都很容易就能运算出散列数值。
●难以由一个已知的散列数值，去推算出原始的消息。
●在不更动散列数值的前提下，修改消息内容是不可行的。
●对于两个不同的消息，它不能给与相同的散列数值。

2005年,Wang等人给出了MD5算法和SHA-1算法的碰撞攻击方法，现今被广泛应用的MD5算法和SHA-1算法不再是安全的算法。
SM3密码摘要算法是中国国家密码管理局2010年公布的中国商用密码杂凑算法标准。SM3算法适用于商用密码应用中的数字签名和验证，是在SHA-256基础上改进实现的一种算法。SM3算法采用Merkle-Damgard结构，消息分组长度为512位，摘要值长度为256位。现今为止，SM3算法的安全性相对较高。

（3）效率不同
MD5、SHA1、SH2-256与SM3的对比：

2. SM3算法如何保证其安全性？
SM3算法也是一种哈希算法，是我国自主设计的密码杂凑算法，适用于商用密码应用中的数字签名和验证消息认证码的生成与验证以及随机数的生成，可满足多种密码应用的安全需求。为了保证杂凑算法的安全性，其产生的杂凑值的长度不应太短，例如MD5输出128比特杂凑值，输出长度太短，影响其安全性SHA-1算法的输出长度为160比特，SM3算法的输出长度为256比特，因此SM3算法的安全性要高于MD5算法和SHA-1算法。
1、算法的本质
给数据加一个固定长度的指纹，这个固定长度就是256比特。
2、处理过程
第一步：填充，使填充后的数据的长度是512的整数倍
先在数据的最尾巴上加一个1；然后把原始数据的长度用64比特表示，放在最后面；再看看现在的数据的长度值离512的整数还差多少个，差多少个就填多少个0在加的这个1和64比特的长度之间。
第二步：分组
把填充后的信息按照512比特一个分组进行分组，如果分成了N组，就是b(0),b(1),b(N-1)
第三步：迭代压缩得到最后的杂凑值（哈希值）
IV(n)=CF(IV(n-1),b(n-1))
如果信息分为N组，那么IV（N）就是最后得到的杂凑值。