背景
是的，你没看错。本文要讲一下如何实现 AES 和 SM4 的 S 盒实现。你可能好奇，S 盒实现有什么好讲的，c 语言一个unsigned int Sbox[256] = {...}，verilog一个always case xxx:解决问题。没错，查表实现是S盒最基本的实现方法。高端一点的查表，可以将 S 盒的实现结合线性变换（AES 的 MixColumn，SM4 的 $L$）形成 $8\rightarrow 32$的大表 T-Table 进行加速，例如openssl的查表实现。
其实，我们本文将探讨一种不通过查表，只是通过逻辑运算的 S 盒实现方法。
AES 和 SM4 的 S 盒都是由 $GF(2^8)$ 有限域上的运算进行生成的。我们可以直接基于其实现方法，对 S 盒进行计算实现。在 AES 和 SM4 的 S 盒生成公式中，均设计在 $GF(2^8)$ 的求逆运算，该运算比较耗时。有限域中求逆运算可以转化幂运算，例如 AES 的 S 盒可以表达为：
$$S(x) = 63 + 05x^{254} + 09x^{253} + F9x^{251} + 25x^{247} + 01x^{223} + B5x^{191} + 8Fx^{127}.$$
该运算定义在$GF(2^8)$上，直接实现同样较为复杂。
还有一种方法，是使用布尔函数对 S 盒进行表达，利用布尔函数进行实现。该方法其实可以看作$GF(2)$上的表达。On Deviations of the AES S-box when Represented as Vector Valued Boolean Function对 AES 的 S 盒进行了分析，得到其布尔函数表达式，例如，其中第0比特可表示为：
布尔函数非常复杂，直接利用布尔函数表达式也不是一个好的思路。
D.Canright在A Very Compact Rijndael S-box一文中，提出一种实现思路：基于复合域进行实现。文章提出该方法实现在资源有限情况下的该类 S 盒的实现方式，后该方法被用于构造掩码实现（抵抗DPA攻击）和bitslice实现上。本文将对这个方法进行介绍。
原理
AES 和 SM4 的 S 盒生成都是基于$GF(2^8)$进行构造的，利用逆运算和仿射变换(affine)。仿射变换本身就能表示成逻辑运算，我们重点关注求逆运算。AES 和 SM4 的表达都是基于多项式基，以 AES 的有限域为例，假设$A$为多项式$x^8+x^4+x^3+x+1$的根，即$A^8+A^4+A^3+A+1=0$。那么任何一个元素$x$可以表示为$x = x_7A^7+x_6A^6+x_5A^5+x_4A^4+x_3A^3+x_2A^2+x_1A+x_0$。这种做法是将$GF(2^8)$直接看作$GF(2)$的8次扩域。我们也可以不这么看，将$GF(2^8)$看成$GF(2^4)$的2次扩域，$GF(2^{4})$可以进一步看作$GF(2^2)$的2次扩域，再进一步$GF(2^2)$可以看作$GF(2)$的2次扩域。而$GF(2^8)$的求逆运算，可以通过数学表达式，转换为$GF(2^4)$的求逆和一些乘、加操作。这些操作可以进一步向下转化。下面我们详细说明一下。
$K = GF(q^n)$为$GF(q)$的n次扩域，$\beta$ 为多项式的根，那么多项式基为$\{ 1,\beta,\beta^2, \ldots, \beta^{n-1} \}$，任何一个元素$x$，可以表示为$x = x_{n-1}\beta^{n-1}+\ldots+x_1\beta+x_0$，这也是AES 和 SM4 所采用的基表示方式。此外，除了多项式基以外，域的表达方式还可以使用正规基进行表达，正规基为$\{\beta, \beta^q, \beta^{q^2}, \ldots, \beta^{q^{n-1}}\}$，正规基使用了多项式的全部根。
$GF(2^8)$，可以看作$GF(2^4)$的2次扩域，也就是在$GF(2^4)$上寻找一个不可约二次多项式，$r(y) = y^2 + \tau y +\upsilon$，其中，$\tau$ 和 $\upsilon$ 为 $GF(2^4)$ 的元素。设 $Y$ 为 $r(y)$ 的根，则 $GF(2^8)$ 元素的多项式基为 ${Y, 1}$，正规基为${Y, Y^{16}}$。Canright在文章中讨论了多项式基和正规基两种方式，我们这里只看正规基。对于$GF(2^8)$的元素 $g = \gamma_1 Y^{16} + \gamma_0 Y$，求逆 $d = \delta_1 Y^{16} + \delta_0 Y$，$\gamma_i$ 和 $\delta_i$ 都是$GF(2^4)$的元素, $gd = 1$，待定系数求解，可得出
$$
\left\{
\begin{align}
\delta_1 &= [\gamma_1 \gamma_0 \tau^2 + (\gamma_1^2 + \gamma_0^2)\upsilon]^{-1}\gamma_0 \\
\delta_0 &= [\gamma_1 \gamma_0 \tau^2 + (\gamma_1^2 + \gamma_0^2)\upsilon]^{-1}\gamma_1
\end{align}
\right.
$$
文内有详细推导方法，不再赘述。观察系数，其达到的效果就是，$GF(2^8)$的求逆运算，转化成为$GF(2^4)$的乘法、平方和求逆，特别的，可以选择不可约多项式为$r(y) = y^2 + y + \upsilon$，也就是 $\tau$ 取1来降低求解复杂度，这样，对$g = \gamma_1 Y^{16} + \gamma_0 Y$的求逆可简化为如下图：
同样，$GF(2^4)$可以看作$GF(2^2)$的二次扩域，也就是在$GF(2^2)$寻找一个不可约二次多项式，$s(z) = z^2 + Tz + N$，设$Z$ 为该多项式的根，取正规基$\{Z^4, Z\}$。和$GF(2^8)$计算方法相同，可计算$GF(2^4)$元素$\upsilon = \Gamma_1 Z^4+\Gamma_0 Z$ 的逆为$\delta = \Delta Z^4 + \Delta Z$，其中，
$$
\left\{
\begin{align}
\Delta_1 &= [\Gamma_1 \Gamma_0 T^2 + (\Gamma_1^2 + \Gamma_0^2)N]^{-1}\Gamma_0 \
\Delta_0 &= [\Gamma_1 \Gamma_0 T^2 + (\Gamma_1^2 + \Gamma_0^2)N]^{-1}\Gamma_1
\end{align}
\right.
$$
也可以取$T = 1$降低复杂度，那么在$GF(2^4)$求逆运算如下图所示：
在$GF(2^8)$求逆时，也涉及到了$GF(2^4)$的乘法。$GF(2^4)$的乘法$\upsilon\delta = (\Gamma_1 Z^4+\Gamma_0 Z)(\Delta_1 Z^4 + \Delta_0 Z)$可按照如下公式计算：
$$
\left\{
\begin{align}
\Phi &= N(\Gamma_1+\Gamma_0)(\Delta_1+\Delta_0) \\
\upsilon\delta&= [\Phi+\Gamma_1\Delta_1]Z^4+[\Phi+\Gamma_0\Delta_0]Z
\end{align}
\right.
$$
如下图：
进一步，$GF(2^2)$可以看作$GF(2)$的二次扩域，在$GF(2)$上的不可约多项式只有$t(\omega) = \omega^2+\omega+1$,取正规基${W^2, W}$，则$\Gamma = g_1W^2+g_0W$，逆为$\Delta = d_1W^2+d_0W$，其中，
$$
\left\{
\begin{align}
d_1 &= g_0 \\
d_0 &= g_1
\end{align}
\right.
$$
$GF(2^2)$的乘法，$\Gamma\Delta = (g_1W^2+g_0W)(d_1W^2+d_0W)$，计算如下：
$$
\left\{
\begin{align}
f &= (g_1+g_0)(d_1+d_0) \\
\upsilon\delta&= [f+g_1d_1]W^2+[f+g_0d_0]W
\end{align}
\right.
$$
如下图：
将$GF(2^8)$进行转化，我们还有一些操作未介绍，包括 $\upsilon\gamma^2$、$N\Gamma^2$ 和 $N\Gamma$。这些值可通过选择不同的 $\upsilon$ 和 $N$ 进行简化。文章详细讨论了选取的方法。我们直接给结论：
- 对于$GF(2^2)$，不可约多项式为$t(\omega) = \omega^2+\omega+1$，正规基$\{W^2, W\}$
- 对于$GF(2^4)/GF(2^2)$，不可约多项式为$s(z) = z^2 + z + N$，$N = W^2$，正规基${Z^4, Z}$，$N(g_1W^2+g_2W)^2 = W^2(g_1W^2+g_2W) = g_1W^2+(g_1+g_0)W$
- 对于$GF(2^8)/GF(2^4)$，不可约多项式为$r(y) = y^2 + y +\upsilon$，$\upsilon = N^2Z$，如此，$\upsilon(AZ^4+BZ)^2 = (A+B)^2Z^4+N^2B^2$
复合域下，实际上是以$$[(b_7w^2 + b_6w)z^4 + (b_5w^2 + b_4w)z]y^{16} + [(b_3w^2 + b_2w)z^4 + (b_1w^2 + b_0w)z]y =\\ b_7w^2z^4y^{16} + b_6wz^4y^{16} + b_5w^2zy^{16} + b_4wzy^{16} + b_3w^2z^4y + b_2wz^4y + b_1w^2zy + b_0wzy$$表示$GF(2^8)$的一个元素。
而 S 盒的输入是以多项式基表示进行输入的。要利用复合域进行运算，需要将输入表示进行转换。以线性空间的角度看，这复合域表示相当于是给$GF(2^8)$找了一组新基。两组基有如下关系：
$$g_7A^7+g_6A^6+g_5A^5+g_4A^4+g_3A^3+g_2A^2+g_1A+g_0 \\= b_7w^2z^4y^{16} + b_6wz^4y^{16} + b_5w^2zy^{16} + b_4wzy^{16} + b_3w^2z^4y + b_2wz^4y + b_1w^2zy + b_0wzy$$
找到$w^2z^4y^{16}$等在多项式基下的表示，形成矩阵X：
$$
\left(
\begin{array}{c}
g_7\\ g_6 \\ g_5\\ g_4 \\ g_3 \\ g_2\\ g_1 \\ g_0
\end{array}
\right) =
X
\left(
\begin{array}{c}
b_7\\ b_6 \\ b_5\\ b_4 \\ b_3 \\ b_2\\ b_1 \\ b_0
\end{array}
\right)
$$
计算$X^{-1}$，乘以多项式基下的表示即可得到复合域基下的表示。S盒计算完成后，再进行反变换即可。
AES S盒实现方法
AES的S盒是定义在$GF(2^8)$（不可约多项式$x^8+x^4+x^3+x+1$），其表达式为$S(x) = Ax^{-1}+c$，具体如下：
$$
\begin{equation}
\left(
\begin{array}{c}
s_7 \\
s_6 \\
s_5 \\
s_4 \\
s_3 \\
s_2 \\
s_1 \\
s_0 \\
\end{array}
\right) =
\left(
\begin{array}{cccccccc}
1 & 1 & 1 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0\\
0 & 1 & 1 & 1 & 1 & 1 & 0 & 0\\
0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 1 & 1 & 0\\
0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 1 & 1\\
1 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 1\\
1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1\\
1 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1\\
1 & 1 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 1\\
\end{array}
\right) \cdot
\left(
\begin{array}{c}
x_7 \\
x_6 \\
x_5 \\
x_4 \\
x_3 \\
x_2 \\
x_1 \\
x_0 \\
\end{array}
\right) +
\left(
\begin{array}{c}
0 \\
1 \\
1 \\
0 \\
0 \\
0 \\
1 \\
1 \\
\end{array}
\right)
\end{equation}
$$
求矩阵X和逆
求 $X$ 和 $X^{-1}$，我们需要计算 $w$，$z$ 和 $y$，计算 $w^2z^4y^{16}$等一系列系数值。Canright在文章中给出了 $GF(2^8)$ 生成元 $B$ 的 对数表，方便计算。这里我们直接通过搜索进行计算。
from pyfinite import ffield
gen = 0b100011011
F = ffield.FField(8, gen, useLUT=0) # 这里一定要写useLUT=0，不然会出问题。。。
def field_pow2(x, F): #计算在F域上的平方
return F.Multiply(x, x)
def field_pow3(x, F): #计算在F域上的三次方
return F.Multiply(x, field_pow2(x, F))
def field_pow4(x, F): #计算在F域上的四次方
return field_pow2(field_pow2(x, F), F)
- 首先，搜索$GF(2^2)$的正规基$\{W^2, W\}$，我们求出其在$GF(2^8)$下多项式基的表示。
for i in range(256):
if field_pow2(i, F)^i^1 == 0: # 搜索 w^2+w+1 = 0的根
print(hex(i))
我们可得到，$W = 0xbd$，$W^2 = 0xbc$（一定要注意，这是$GF(2^8)$的多项式基表示）
2. 然后，搜索$GF(2^4)/GF(2^2)$的正规基${Z^4, Z}$，我们求出其在$GF(2^8)$下多项式基的表示。$s(z) = z^2 + z + N$，$N = W^2 = 0xbc$
for i in range(256):
if field_pow2(i, F)^i^0xbc == 0: # 搜索 z^2+z+0xbc = 0的根
print(hex(i))
于是我们又得到，$Z = 0x5c$，$Z^4 = 0x5d$
3. 最后，搜索$GF(2^8)/GF(2^4)$的正规基$\{Y^{16}, Y\}$，我们求出其在$GF(2^8)$下多项式基的表示。$r(y) = y^2 + y +\upsilon$，$\upsilon = N^2Z$
u = F.Multiply(field_pow2(0xbc, F), 0x5c)
for i in range(256):
if field_pow2(i, F)^i^0xec == 0: # 搜索 z^2+z+0xbc = 0的根
print(hex(i))
于是我们又得到，$Y= 0xff$，$Y^{16} = 0xfe$
w = 0xbd
w_2 = 0xbc
z = 0x5c
z_4 = 0x5d
y = 0xff
y_16 = 0xfe
w_2_z_4_y_16 = F.Multiply(F.Multiply(w_2, z_4), y_16)
w_z_4_y_16 = F.Multiply(F.Multiply(w, z_4), y_16)
w_2_z_y_16 = F.Multiply(F.Multiply(w_2, z), y_16)
w_z_y_16 = F.Multiply(F.Multiply(w, z), y_16)
w_2_z_4_y = F.Multiply(F.Multiply(w_2, z_4), y)
w_z_4_y = F.Multiply(F.Multiply(w, z_4), y)
w_2_z_y = F.Multiply(F.Multiply(w_2, z), y)
w_z_y = F.Multiply(F.Multiply(w, z), y)
print('w_2_z_4_y_16\t', hex(w_2_z_4_y_16))
print('w_z_4_y_16\t', hex(w_z_4_y_16))
print('w_2_z_y_16\t', hex(w_2_z_y_16))
print('w_z_y_16\t', hex(w_z_y_16))
print('w_2_z_4_y\t', hex(w_2_z_4_y))
print('w_z_4_y\t\t', hex(w_z_4_y))
print('w_2_z_y\t\t', hex(w_2_z_y))
print('w_z_y\t\t', hex(w_z_y))
- 得到多项式基在复合域基下表示如下：
$$
\left(
\begin{array}{c}
g_7\\ g_6 \\ g_5\\ g_4 \\ g_3 \\ g_2\\ g_1 \\ g_0
\end{array}
\right) =
\left(
\begin{array}{cccccccc}
0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 1 & 0 \\
1 & 1 & 1 & 0 & 1 & 0 & 1 & 1 \\
1 & 1 & 1 & 0 & 1 & 1 & 0 & 1 \\
0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 \\
0 & 1 & 1 & 1 & 1 & 1 & 1 & 0 \\
1 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 0 \\
0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 \\
0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0
\end{array}
\right)
\left(
\begin{array}{c}
b_7\\ b_6 \\ b_5\\ b_4 \\ b_3 \\ b_2\\ b_1 \\ b_0
\end{array}
\right)
$$
求$X^{-1}$，可得到复合域基下多项式基的表示：
from pyfinite import genericmatrix
XOR = lambda x,y: x^y
AND = lambda x,y: x&y
DIV = lambda x,y: x
m = genericmatrix.GenericMatrix(size=(8, 8),zeroElement=0,identityElement=1,add=XOR,mul=AND,sub=XOR,div=DIV)
m.SetRow(0, [0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0])
m.SetRow(1, [1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1])
m.SetRow(2, [1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1])
m.SetRow(3, [0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0])
m.SetRow(4, [0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0])
m.SetRow(5, [1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0])
m.SetRow(6, [0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0])
m.SetRow(7, [0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0])
print(m)
print(m.Inverse())
$$
\left(
\begin{array}{c}
b_7\\ b_6 \\ b_5\\ b_4 \\ b_3 \\ b_2\\ b_1 \\ b_0
\end{array}
\right) =
\left(
\begin{array}{cccccccc}
1 & 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1\\
0 & 1 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 1\\
0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1\\
1 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1\\
1 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0 & 1 & 1\\
0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1\\
0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1\\
0 & 1 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 1
\end{array}
\right)
\left(
\begin{array}{c}
g_7\\ g_6 \\ g_5\\ g_4 \\ g_3 \\ g_2\\ g_1 \\ g_0
\end{array}
\right)
$$
具体函数实现
基础函数定义
g2b = [0b10011000, 0b11110011, 0b11110010, 0b01001000, 0b00001001, 0b10000001, 0b10101001, 0b11111111]
b2g = [0b01100100, 0b01111000, 0b01101110, 0b10001100, 0b01101000, 0b00101001, 0b11011110, 0b01100000]
def G4_mul(x, y):
'''
GF(2^2)的乘法运算，正规基{W^2, W}
'''
a = (x & 0x02)>>1
b = x & 0x01
c = (y & 0x02)>>1
d = y & 0x01
e = (a ^ b) & (c ^ d)
return (((a & c) ^ e) << 1)|((b & d) ^ e)
def G4_mul_N(x):
'''
GF(2^2)的乘N操作，N = W^2
'''
a = (x & 0x02)>>1
b = x & 0x01
p = b
q = a ^ b
return (p<<1)|q
def G4_mul_N2(x):
'''
GF(2^2)的乘N^2操作，N = W^2
'''
a = (x & 0x02)>>1
b = x & 0x01
return ((a ^ b)<<1)|a
def G4_inv(x):
'''
GF(2^2)的求逆操作，该操作和GF(2^2)的平方操作等价
'''
a = (x & 0x02)>>1
b = x & 0x01
return (b<<1)|a
def G16_mul(x, y):
'''
GF(2^4)的乘法操作，正规基{Z^4, Z}
'''
a = (x & 0xc)>>2
b = x & 0x03
c = (y & 0xc)>>2
d = y & 0x03
e = G4_mul(a ^ b, c ^ d)
e = G4_mul_N(e)
p = G4_mul(a, c) ^ e
q = G4_mul(b, d) ^ e
return (p<<2) | q
def G16_sq_mul_u(x):
'''
GF(2^4)的平方后乘u操作, u = N^2Z, N = W^2
'''
a = (x & 0xc)>>2
b = x & 0x03
p = G4_inv(a ^ b) # G4平方和求逆等价
q = G4_mul_N2(G4_inv(b))
return (p<<2)|q
def G16_inv(x):
'''
GF(2^4)的求逆操作
'''
a = (x & 0xc)>>2
b = x & 0x03
c = G4_mul_N(G4_inv(a ^ b))
d = G4_mul(a, b)
e = G4_inv(c ^ d)
p = G4_mul(e, b)
q = G4_mul(e, a)
return (p<<2)|q
def G256_inv(x):
'''
GF(2^8)的求逆操作
'''
a = (x & 0xF0)>>4
b = x & 0x0F
c = G16_sq_mul_u(a ^ b)
d = G16_mul(a, b)
e = G16_inv(c ^ d)
p = G16_mul(e, b)
q = G16_mul(e, a)
return (p<<4)|q
def G256_new_basis(x, b):
'''
x在新基b下的表示
'''
y = 0
for i in range(8):
if x & (1<<(7-i)):
y ^= b[i]
return y
计算S盒输出值
A = [0b10001111, 0b11000111, 0b11100011, 0b11110001, 0b11111000, 0b01111100, 0b00111110, 0b00011111] #仿射变换矩阵乘
def AES_SBOX(x):
t = G256_new_basis(x, g2b)
t = G256_inv(t)
t = G256_new_basis(t, b2g)
t = G256_new_basis(t, A) #仿射变换乘
return t ^ 0x63
sbox = []
for i in range(256):
sbox.append(AES_SBOX(i)) # 生成sbox
for i,s in enumerate(sbox):
print(f'%02x'%s,', ', end='')
if (i+1)%16==0:
print()
SM4 S盒实现方法
SM4 的 S 盒和 AES 不同， 定义在$GF(2^8)$采用的不可约多项式为$x^8+x^7+x^6+x^5+x^4+x^2+1$，生成方式为$S(x) = A(Ax+c)^{-1}+c$，其中：
$$
\begin{equation}
A =
\left(
\begin{array}{cccccccc}
1 & 1 & 0 & 1 & 0 & 0 & 1 & 1\\
1 & 1 & 1 & 0 & 1 & 0 & 0 & 1\\
1 & 1 & 1 & 1 & 0 & 1 & 0 & 0\\
0 & 1 & 1 & 1 & 1 & 0 & 1 & 0\\
0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 1 & 0 & 1\\
1 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 1 & 0\\
0 & 1 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 1\\
1 & 0 & 1 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1\\
\end{array}
\right) %右括号
,
c =
\left(
\begin{array}{c}
1 \\
1 \\
0 \\
1 \\
0 \\
0 \\
1 \\
1 \\
\end{array}
\right)
\end{equation}
$$
求矩阵X和逆
不可约多项式不同，$X$ 矩阵也不相同。下面我们为 SM4 求 $X$ 和 $X^{-1}$，我们需要计算 $w$，$z$ 和 $y$，计算 $w^2z^4y^{16}$等一系列系数值
from pyfinite import ffield
gen = 0b111110101
F = ffield.FField(8, gen, useLUT=0) # 这里一定要写useLUT=0，不然会出问题。。。
- 首先，搜索$GF(2^2)$的正规基$\{W^2, W\}$，我们求出其在$GF(2^8)$下多项式基的表示。
for i in range(256):
if field_pow2(i, F)^i^1 == 0: # 搜索 w^2+w+1 = 0的根
print(hex(i))
我们得到，$W = 0x5d$，$W^2 = 0x5c$（一定要注意，这是$GF(2^8)$的多项式基表示）
- 然后，搜索$GF(2^4)/GF(2^2)$的正规基${Z^4, Z}$，我们求出其在$GF(2^8)$下多项式基的表示。$s(z) = z^2 + z + N$，$N = W^2 = 0x5c$
for i in range(256):
if field_pow2(i, F)^i^0x5c == 0: # 搜索 z^2+z+0x5c = 0的根
print(hex(i))
于是我们又得到，$Z = 0x0c$，$Z^4 = 0x0d$
- 最后，搜索$GF(2^8)/GF(2^4)$的正规基${Y^{16}, Y}$，我们求出其在$GF(2^8)$下多项式基的表示。$r(y) = y^2 + y +\upsilon$，$\upsilon = N^2Z$
u = F.Multiply(field_pow2(0x5c, F), 0x0c)
for i in range(256):
if field_pow2(i, F)^i^0x76 == 0: # 搜索 z^2+z+0x76 = 0的根
print(hex(i))
于是我们又得到，$Y= 0xef$，$Y^{16} = 0xee$
w = 0x5d
w_2 = 0x5c
z = 0x0c
z_4 = 0x0d
y = 0xef
y_16 = 0xee
w_2_z_4_y_16 = F.Multiply(F.Multiply(w_2, z_4), y_16)
w_z_4_y_16 = F.Multiply(F.Multiply(w, z_4), y_16)
w_2_z_y_16 = F.Multiply(F.Multiply(w_2, z), y_16)
w_z_y_16 = F.Multiply(F.Multiply(w, z), y_16)
w_2_z_4_y = F.Multiply(F.Multiply(w_2, z_4), y)
w_z_4_y = F.Multiply(F.Multiply(w, z_4), y)
w_2_z_y = F.Multiply(F.Multiply(w_2, z), y)
w_z_y = F.Multiply(F.Multiply(w, z), y)
print('w_2_z_4_y_16\t', hex(w_2_z_4_y_16))
print('w_z_4_y_16\t', hex(w_z_4_y_16))
print('w_2_z_y_16\t', hex(w_2_z_y_16))
print('w_z_y_16\t', hex(w_z_y_16))
print('w_2_z_4_y\t', hex(w_2_z_4_y))
print('w_z_4_y\t\t', hex(w_z_4_y))
print('w_2_z_y\t\t', hex(w_2_z_y))
print('w_z_y\t\t', hex(w_z_y))
- 得到多项式基在复合域基下表示如下：
$$
\left(
\begin{array}{c}
g_7\\ g_6 \\ g_5\\ g_4 \\ g_3 \\ g_2\\ g_1 \\ g_0
\end{array}
\right)
=
\left(
\begin{array}{cccccccc}
1 & 1 & 0 & 1 & 1 & 1 & 0 & 1 \\
1 & 1 & 1 & 0 & 1 & 1 & 0 & 1 \\
1 & 1 & 0 & 1 & 0 & 0 & 1 & 0 \\
1 & 0 & 1 & 0 & 1 & 0 & 0 & 1 \\
0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 \\
1 & 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1 \\
0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 1 & 0 \\
0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0
\end{array}
\right)
\left(
\begin{array}{c}
b_7\\ b_6 \\ b_5\\ b_4 \\ b_3 \\ b_2\\ b_1 \\ b_0
\end{array}
\right)
$$
求$X^{-1}$，可得到复合域基下多项式基的表示：
from pyfinite import genericmatrix
XOR = lambda x,y: x^y
AND = lambda x,y: x&y
DIV = lambda x,y: x
m = genericmatrix.GenericMatrix(size=(8, 8),zeroElement=0,identityElement=1,add=XOR,mul=AND,sub=XOR,div=DIV)
m.SetRow(0, [1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1])
m.SetRow(1, [1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1])
m.SetRow(2, [1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0])
m.SetRow(3, [1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1])
m.SetRow(4, [0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0])
m.SetRow(5, [1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1])
m.SetRow(6, [0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0])
m.SetRow(7, [0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0])
print(m)
print(m.Inverse())
具体函数实现
基础函数定义
SM4 和 AES 采用的复合域结构相同，其基础函数也相同。仅定义X矩阵即可。
g2b = [0b00100001, 0b11010011, 0b10000001, 0b01001010, 0b10001010, 0b10111001, 0b10110000, 0b11111111]
b2g = [0xf4, 0xec, 0x54, 0xa2, 0xd2, 0xc7, 0x2e, 0xd4]
计算S盒输出值
A = [0b11100101, 0b11110010, 0b01111001, 0b10111100, 0b01011110, 0b00101111, 0b10010111, 0b11001011]
def SM4_SBOX(x):
t = G256_new_basis(x, A)
t ^= 0xd3
t = G256_new_basis(t, g2b)
t = G256_inv(t)
t = G256_new_basis(t, b2g)
t = G256_new_basis(t, A) #仿射变换乘
return t ^ 0xd3
sbox = []
for i in range(256):
sbox.append(SM4_SBOX(i)) # 生成sbox
for i,s in enumerate(sbox):
print(f'%02x'%s,', ', end='')
if (i+1)%16==0:
print()
推广结论
通过 AES 和 SM4 的 S 盒复合域实现，我们不难发现，在复合域上，AES 和 SM4 的求逆运算过程相同，而除此之外，其他操作都是线性的仿射变换。那么我们能不能通过 AES 的 S 盒计算 SM4 的 S 盒输出呢？也就是，$S_{sm4}(x) = L(S_{aes}(Mx+C_1)) + C_2$，下面我们尝试进行推导。
假设复合域求逆运算为$f$，则:
$$
\begin{align}
S_{aes}(x) = A_{aes}X_{aes}f(X^{-1}_{aes}x)+0x63 &\Rightarrow f(X^{-1}_{aes}x) = X^{-1}_{aes}A_{aes}^{-1}(S_{aes}(x) + 0x63) \\
& \Rightarrow f(x) = X^{-1}_{aes}A_{aes}^{-1}(S_{aes}(X_{aes}x) + 0x63)
\end{align}
$$
由此得出：
$$
\begin{align}
&S_{sm4}(x) = A_{sm4}X_{sm4}f(X^{-1}_{sm4}(A_{sm4}x+0xd3))+0xd3 \Rightarrow \\ &S_{sm4}(x) = A_{sm4}X_{sm4}X^{-1}_{aes}A_{aes}^{-1}(S_{aes}(X_{aes}(X^{-1}_{sm4}(A_{sm4}x+0xd3))) + 0x63) +0xd3
\end{align}
$$
由此可得出，
$$
\begin{align}
&M = X_{aes}X^{-1}_{sm4}A_{sm4}\\ &C_1 = X_{aes}X^{-1}_{sm4}0xd3 \\ &L = A_{sm4}X_{sm4}X^{-1}_{aes}A^{-1}_{aes} \\ &C_2 = A_{sm4}X_{sm4}X^{-1}_{aes}A^{-1}_{aes}0x63+0xd3
\end{align}
$$
XOR = lambda x,y: x^y
AND = lambda x,y: x&y
DIV = lambda x,y: x
X_aes = genericmatrix.GenericMatrix(size=(8, 8),zeroElement=0,identityElement=1,add=XOR,mul=AND,sub=XOR,div=DIV)
X_sm4 = genericmatrix.GenericMatrix(size=(8, 8),zeroElement=0,identityElement=1,add=XOR,mul=AND,sub=XOR,div=DIV)
A_aes = genericmatrix.GenericMatrix(size=(8, 8),zeroElement=0,identityElement=1,add=XOR,mul=AND,sub=XOR,div=DIV)
A_sm4 = genericmatrix.GenericMatrix(size=(8, 8),zeroElement=0,identityElement=1,add=XOR,mul=AND,sub=XOR,div=DIV)
c_aes = genericmatrix.GenericMatrix(size=(8, 1),zeroElement=0,identityElement=1,add=XOR,mul=AND,sub=XOR,div=DIV)
c_sm4 = genericmatrix.GenericMatrix(size=(8, 1),zeroElement=0,identityElement=1,add=XOR,mul=AND,sub=XOR,div=DIV)
X_aes.SetRow(0, [0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0])
X_aes.SetRow(1, [1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1])
X_aes.SetRow(2, [1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1])
X_aes.SetRow(3, [0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0])
X_aes.SetRow(4, [0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0])
X_aes.SetRow(5, [1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0])
X_aes.SetRow(6, [0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0])
X_aes.SetRow(7, [0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0])
print(X_aes)
X_aes_inv = X_aes.Inverse()
X_aes_inv
X_sm4.SetRow(0, [1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1])
X_sm4.SetRow(1, [1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1])
X_sm4.SetRow(2, [1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0])
X_sm4.SetRow(3, [1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1])
X_sm4.SetRow(4, [0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0])
X_sm4.SetRow(5, [1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1])
X_sm4.SetRow(6, [0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0])
X_sm4.SetRow(7, [0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0])
print(X_sm4)
X_sm4_inv = X_sm4.Inverse()
X_sm4_inv
A_aes.SetRow(0, [1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0])
A_aes.SetRow(1, [0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0])
A_aes.SetRow(2, [0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0])
A_aes.SetRow(3, [0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1])
A_aes.SetRow(4, [1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1])
A_aes.SetRow(5, [1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1])
A_aes.SetRow(6, [1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1])
A_aes.SetRow(7, [1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1])
print(A_aes)
A_aes_inv = A_aes.Inverse()
A_sm4.SetRow(0, [1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1])
A_sm4.SetRow(1, [1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1])
A_sm4.SetRow(2, [1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0])
A_sm4.SetRow(3, [0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0])
A_sm4.SetRow(4, [0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1])
A_sm4.SetRow(5, [1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0])
A_sm4.SetRow(6, [0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1])
A_sm4.SetRow(7, [1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1])
print(A_sm4)
A_sm4_inv = A_sm4.Inverse()
M = X_aes*X_sm4_inv*A_sm4
print(M)
A = [0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1]
for i in range(8):
c_aes.SetRow(i, [A[i]])
print(c_aes)
A = [1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1]
for i in range(8):
c_sm4.SetRow(i, [A[i]])
print(c_sm4)
C1 = X_aes*(X_sm4_inv*c_sm4)
print(C1)
L = A_sm4*X_sm4*X_aes_inv*A_aes_inv
print(L)
因此，
$$
S_{sm4}(x) =
\left(
\begin{array}{cccccccc}
1 & 1 & 1 & 1 & 1 & 0 & 1 & 0\\
0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0\\
1 & 0 & 1 & 1 & 0 & 1 & 0 & 0\\
0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 1 & 0\\
0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1\\
1 & 1 & 0 & 1 & 1 & 1 & 0 & 1\\
0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1\\
1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1\\
\end{array}
\right)
S_{aes}(
\left(
\begin{array}{cccccccc}
1 & 0 & 0 & 1 & 0 & 1 & 1 & 0\\
0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1\\
1 & 1 & 1 & 0 & 1 & 0 & 0 & 1\\
0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 1 & 0 & 1\\
1 & 1 & 0 & 1 & 1 & 1 & 1 & 0\\
0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 0 & 1\\
1 & 0 & 1 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0\\
1 & 0 & 1 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1\\
\end{array}
\right)x+
\left(
\begin{array}{c}
0\\
1\\
1\\
0\\
1\\
0\\
0\\
1\\
\end{array}
\right)
)+
\left(
\begin{array}{c}
0\\
1\\
1\\
0\\
0\\
0\\
0\\
1\\
\end{array}
\right)
$$
可以进行程序验证如下：
L = [0b10100101, 0b11001101, 0b11100000, 0b10100100, 0b10010100, 0b01100100, 0b10010000, 0b00001111]
M = [0b10101011, 0b01101100, 0b00110111, 0b10011000, 0b00111010, 0b11011111, 0b11001001, 0b01110101]
c1 = 0x69
c2 = 0x61
SBOX_AES = [0x63 , 0x7c , 0x77 , 0x7b , 0xf2 , 0x6b , 0x6f , 0xc5 , 0x30 , 0x01 , 0x67 , 0x2b , 0xfe , 0xd7 , 0xab , 0x76 ,
0xca , 0x82 , 0xc9 , 0x7d , 0xfa , 0x59 , 0x47 , 0xf0 , 0xad , 0xd4 , 0xa2 , 0xaf , 0x9c , 0xa4 , 0x72 , 0xc0 ,
0xb7 , 0xfd , 0x93 , 0x26 , 0x36 , 0x3f , 0xf7 , 0xcc , 0x34 , 0xa5 , 0xe5 , 0xf1 , 0x71 , 0xd8 , 0x31 , 0x15 ,
0x04 , 0xc7 , 0x23 , 0xc3 , 0x18 , 0x96 , 0x05 , 0x9a , 0x07 , 0x12 , 0x80 , 0xe2 , 0xeb , 0x27 , 0xb2 , 0x75 ,
0x09 , 0x83 , 0x2c , 0x1a , 0x1b , 0x6e , 0x5a , 0xa0 , 0x52 , 0x3b , 0xd6 , 0xb3 , 0x29 , 0xe3 , 0x2f , 0x84 ,
0x53 , 0xd1 , 0x00 , 0xed , 0x20 , 0xfc , 0xb1 , 0x5b , 0x6a , 0xcb , 0xbe , 0x39 , 0x4a , 0x4c , 0x58 , 0xcf ,
0xd0 , 0xef , 0xaa , 0xfb , 0x43 , 0x4d , 0x33 , 0x85 , 0x45 , 0xf9 , 0x02 , 0x7f , 0x50 , 0x3c , 0x9f , 0xa8 ,
0x51 , 0xa3 , 0x40 , 0x8f , 0x92 , 0x9d , 0x38 , 0xf5 , 0xbc , 0xb6 , 0xda , 0x21 , 0x10 , 0xff , 0xf3 , 0xd2 ,
0xcd , 0x0c , 0x13 , 0xec , 0x5f , 0x97 , 0x44 , 0x17 , 0xc4 , 0xa7 , 0x7e , 0x3d , 0x64 , 0x5d , 0x19 , 0x73 ,
0x60 , 0x81 , 0x4f , 0xdc , 0x22 , 0x2a , 0x90 , 0x88 , 0x46 , 0xee , 0xb8 , 0x14 , 0xde , 0x5e , 0x0b , 0xdb ,
0xe0 , 0x32 , 0x3a , 0x0a , 0x49 , 0x06 , 0x24 , 0x5c , 0xc2 , 0xd3 , 0xac , 0x62 , 0x91 , 0x95 , 0xe4 , 0x79 ,
0xe7 , 0xc8 , 0x37 , 0x6d , 0x8d , 0xd5 , 0x4e , 0xa9 , 0x6c , 0x56 , 0xf4 , 0xea , 0x65 , 0x7a , 0xae , 0x08 ,
0xba , 0x78 , 0x25 , 0x2e , 0x1c , 0xa6 , 0xb4 , 0xc6 , 0xe8 , 0xdd , 0x74 , 0x1f , 0x4b , 0xbd , 0x8b , 0x8a ,
0x70 , 0x3e , 0xb5 , 0x66 , 0x48 , 0x03 , 0xf6 , 0x0e , 0x61 , 0x35 , 0x57 , 0xb9 , 0x86 , 0xc1 , 0x1d , 0x9e ,
0xe1 , 0xf8 , 0x98 , 0x11 , 0x69 , 0xd9 , 0x8e , 0x94 , 0x9b , 0x1e , 0x87 , 0xe9 , 0xce , 0x55 , 0x28 , 0xdf ,
0x8c , 0xa1 , 0x89 , 0x0d , 0xbf , 0xe6 , 0x42 , 0x68 , 0x41 , 0x99 , 0x2d , 0x0f , 0xb0 , 0x54 , 0xbb , 0x16]
def SM4_SBOX_CALC_WITH_AES(x):
t = G256_new_basis(x, M)
t ^= c1
t = SBOX_AES[t]
t = G256_new_basis(t, L)
t ^= c2
return t
sbox = []
for i in range(256):
sbox.append(SM4_SBOX_CALC_WITH_AES(i)) # 生成sbox
for i,s in enumerate(sbox):
print(f'%02x'%s,', ', end='')
if (i+1)%16==0:
print()
总结
对 AES 和 SM4 来说，我们都可以把仿射变换和基变换操作的矩阵乘结合起来，简化对应的计算过程，从而减少运算。利用这一思想，我们可以对 AES 和 SM4 的 bit直接进行逻辑运算，避免查表操作。在硬件实现时，可利用该方法构造资源非常受限情况下的S盒实现。在软件上，该方法在抵抗cache攻击方面有效果，同时，我们可以使用bitslice并行技术进行加速。
此外，SM4 的 S 盒可由 AES 表示得出，这一点在 CPU 有 AES 的指令集时，可将 SM4 的 S 盒运算转化为 AES 的 S 盒运算进行加速。
