SM4分组密码算法的轮密钥生成过程详解

我将详细讲解SM4分组密码算法中的轮密钥生成过程。SM4是中国国家密码管理局发布的分组密码算法标准，用于无线局域网产品。该算法采用32轮非平衡Feistel结构，分组长度和密钥长度均为128位。

1. 算法输入与初始化

• 输入：128位加密密钥 MK = (MK₀, MK₁, MK₂, MK₃)，每个MKᵢ为32位
• 系统参数 FK = (FK₀, FK₁, FK₂, FK₃) = (0xA3B1BAC6, 0x56AA3350, 0x677D9197, 0xB27022DC)
• 固定参数 CK：32个32位固定值，通过非线性操作生成

2. 初始密钥扩展
   首先计算中间值 Kᵢ：
   Kᵢ = MKᵢ ⊕ FKᵢ, i = 0,1,2,3

3. 轮密钥迭代生成
   对于每一轮 rkᵢ (i = 0 到 31)：
   (1) 计算临时值 T = K_{i+1} ⊕ K_{i+2} ⊕ K_{i+3} ⊕ CKᵢ
   (2) 对T进行非线性变换：

   • 将T的每个字节通过S盒替换：τ(T) = Sbox(a₀) || Sbox(a₁) || Sbox(a₂) || Sbox(a₃)
   • 其中S盒是8×8的固定置换表
     (3) 线性变换 L'：L'(B) = B ⊕ (B <<< 13) ⊕ (B <<< 23)
     (4) 计算轮密钥：rkᵢ = Kᵢ ⊕ L'(τ(T))
     (5) 更新密钥状态：K_{i+4} = rkᵢ

4. 关键技术特点

• 每轮轮密钥都依赖于前4轮密钥状态
• 非线性变换τ提供混淆特性
• 线性变换L'提供扩散特性
• 固定参数CK确保轮密钥的随机性
• 整个过程不可逆，从轮密钥无法推导主密钥

5. 安全性考虑
   轮密钥生成过程设计保证了：

• 密钥扩展的雪崩效应
• 抵抗相关密钥攻击
• 轮密钥间的独立性
• 与加密过程的结构相似性

这个轮密钥生成过程与SM4的加密结构高度协调，共同提供了算法的安全性基础。