文章总结： 该文档指出北大开源gmssl库中sm4.py的crypt_cbc函数存在Bug，因bytes拼接逻辑错误导致输出数据翻倍，与标准SM4/CBC不兼容。文中提供了复现代码、原因分析及修复建议。此外，文档深度剖析了SM4算法的非平衡Feistel结构、合成置换及密钥扩展原理，兼具漏洞预警与算法教学意义。 综合评分： 82 文章分类： 漏洞预警,漏洞分析,代码审计,漏洞POC

国密GMSSL库问题

原创

teacher李 teacher李

由由学习吧

2026年2月24日 10:56 重庆

SM4算法是中国国家密码管理局发布的商用分组密码算法，采用非平衡Feistel结构，核心设计围绕非线性变换（S盒）与线性变换（L函数）的复合置换展开。

北京大学自主开发的国产商用密码开源库的gmssl库的 crypt_cbc 函数存在以下问题：

Bug表现：

• 输入16字节数据，输出32字节（翻倍）

• 输入32字节数据，输出48字节

原因：

gmssl/sm4.py 中的实现

def crypt_cbc(self, iv, input_data):

    output_data += self.one_round(self.sk, input_data[i:i + 16])

问题在于 output_data 初始化为 bytes 类型，但 one_round 返回的也是 bytes，两者拼接时行为异常。

验证：

from gmssl import sm4

key = b’0123456789abcdef’ * 2  # 32字节

iv = b’0′ * 16

data = b’hello’  # 5字节

crypt = sm4.CryptSM4()

crypt.set_key(key, sm4.SM4_ENCRYPT)

enc = crypt.crypt_cbc(iv, data)

print(len(enc))  # 输出32，而不是16

影响：与标准SM4/CBC不兼容，导致解密失败。

这是gmssl库本身的bug，需要库作者修复。

以下是其核心原理的深度剖析：

1. 算法核心结构：非平衡Feistel网络

SM4采用32轮迭代的非平衡Feistel结构，每轮处理128位数据（分为4个32位字）。与传统的Feistel结构不同，SM4在每轮迭代中会同时更新多个字，而非仅更新一半数据，这种设计增强了算法的扩散效果。

• 轮函数（F函数）：每轮的核心运算，公式为：

  X_{i+4} = F(X_i, X_{i+1}, X_{i+2}, X_{i+3}, rk_i) = X_i ⊕ T(X_{i+1} ⊕ X_{i+2} ⊕ X_{i+3} ⊕ rk_i)

• X_i：当前轮的状态字。

• rk_i：当前轮的轮密钥。

• T：合成置换函数，是算法的核心变换。

2. 核心变换：合成置换 T

T函数是SM4安全性的基石，由非线性变换 τ和线性变换 L复合而成（T(·) = L(τ(·))）。

2.1 非线性变换 τ（S盒置换）

τ变换负责“混淆”，通过4个并行的8位S盒打乱数据，破坏明文与密文之间的线性关系。

• 并行结构：将输入的32位字拆分为4个字节，分别通过4个相同的S盒进行独立替换。
• S盒特性：SM4的S盒是一个固定的8位输入/输出置换表，具备高非线性度、低差分均匀性和高代数复杂度，能有效抵抗差分攻击和线性攻击。

2.2 线性变换 L

L变换负责“扩散”，通过循环左移和异或操作，将S盒输出的非线性特性扩散到整个数据块中。

• 运算公式：L(B) = B ⊕ (B <<< 2) ⊕ (B <<< 10) ⊕ (B <<< 18) ⊕ (B <<< 24)
• 作用：确保明文或密钥的微小改变（1比特）能引起密文的显著变化（约50%比特改变），即雪崩效应。

3. 密钥扩展算法

SM4的密钥扩展同样采用32轮迭代结构，从128位主密钥生成32个32位的轮密钥。

• 系统参数（FK）：用于初始密钥的异或运算，增加密钥的随机性。
• 固定参数（CK）：32个固定字，用于每轮密钥扩展的异或运算。
• 扩展逻辑：通过递推关系生成轮密钥，确保轮密钥与主密钥之间具有强关联性，防止密钥推导攻击。

4. 解密过程

SM4的解密过程与加密过程结构完全相同，仅需将轮密钥的使用顺序逆序（即解密时使用 rk_31, rk_30, ..., rk_0）。这种设计简化了硬件和软件的实现复杂度

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