Skip to content

SM4-GCM (Galois/Counter Mode)

1. Khái niệm & mục tiêu

SM4-GCM kết hợp block cipher SM4 (GB/T 32907-2016, bắt buộc trong WAPI) với AEAD GCM. Mục tiêu: đáp ứng yêu cầu tuân thủ chuẩn Trung Quốc, đồng thời thêm xác thực và song song hóa thay vì dùng CBC/ECB.

2. Toán học, công thức

  • SM4: 32 vòng unbalanced Feistel; mỗi vòng dùng S-box 8x8 và tuyến tính L() trên \(GF(2^{32})\).
  • GCM: CTR + GHASH trên \(GF(2^{128})\); tag = \(E_K(J_0) \oplus \text{GHASH}(AAD, C)\).
  • Key duy nhất 128 bit; dễ triển khai phần cứng và phần mềm nhẹ.

3. Cách hoạt động

  1. Nonce 96-bit sinh ngẫu nhiên; tạo counter \(J_0\).
  2. SM4-CTR tạo keystream; XOR plaintext → ciphertext.
  3. GHASH(AAD, ciphertext) → tag 16 byte; giải mã chỉ khi tag khớp.

4. Cấu trúc dữ liệu

  • Key: 128 bit (cố định).
  • Nonce: 96 bit (12 byte) duy nhất per-key.
  • Tag: 128 bit (16 byte).
  • Block: 128 bit.

5. So sánh với AES-GCM

Đặc điểm SM4-GCM AES-GCM
Chuẩn GB/T 32907 (CN), WAPI FIPS 197, toàn cầu
Hiệu năng HW nội địa Tốt (chip TPM/TCM hỗ trợ) Rất tốt với AES-NI
Độ dài key 128 bit cố định 128/192/256

6. Luồng dữ liệu (Sequence Diagram)

sequenceDiagram
    participant Sender
    participant SM4_GCM
    participant Receiver

    Sender->>SM4_GCM: Key, Nonce, Plaintext, AAD
    SM4_GCM->>SM4_GCM: CTR Encrypt -> Ciphertext
    SM4_GCM->>SM4_GCM: GHASH(AAD, Ciphertext) -> Tag
    SM4_GCM->>Receiver: Nonce + Ciphertext + Tag

    Note right of Receiver: Decryption
    Receiver->>SM4_GCM: Key, Nonce, Ciphertext, Tag, AAD
    SM4_GCM->>SM4_GCM: GHASH(AAD, Ciphertext) -> Calculated Tag
    alt Tag Match
        SM4_GCM->>SM4_GCM: CTR Decrypt -> Plaintext
        SM4_GCM->>Receiver: Plaintext
    else Tag Mismatch
        SM4_GCM-->>Receiver: ERROR (Auth Failed)
    end
Hold "Alt" / "Option" to enable pan & zoom

7. Sai lầm triển khai phổ biến

  1. Nonce reuse: dùng lại nonce với cùng key → rò rỉ keystream và giả mạo.
  2. Không kiểm tag trước giải mã: dễ bị tấn công bit-flip trả về rác.
  3. Sai padding độ dài trong GHASH: quên thêm trường length 64-bit cho AAD/ciphertext.
  4. Dùng CBC/ECB thay vì GCM: mất xác thực, dễ tấn công hoán vị block.

8. Threat Model

  • Tamper trên đĩa: sửa ciphertext → tag sai → giải mã bị từ chối.
  • Nonce collision: RNG kém hoặc counter lỗi.
  • Side-channel: triển khai bảng S-box phải constant-time (tránh cache timing).

9. Biện pháp giảm thiểu

  • Nonce 96-bit duy nhất; lưu counter hoặc dùng CSPRNG chất lượng cao.
  • Kiểm tra tag hằng thời gian trước khi xử lý plaintext.
  • Đưa metadata (filename, version, policy) vào AAD; cân nhắc chống replay.
  • Nếu mã hóa khối lượng lớn, cân nhắc xoay key để giảm rủi ro nonce collision.

10. Test Vectors

  • Bộ vector công khai: GM/T 0002-2012 test set, RFC 8998 Appendix A (SM4 suite), và NIST CAVP (SM4-GCM) nếu có.
  • Khuyến nghị tự sinh vector bằng OpenSSL (bản có SM4) hoặc Botan và lưu vào tests của FileVault.

11. Ví dụ code (OpenSSL CLI)

Bash
1
2
openssl enc -sm4-gcm -K <hexkey> -iv <hexnonce> -in plaintext.bin -aad <hexaad> -out ciphertext.bin -nopad -p
# Tag in ra màn hình (tag = ...)

12. Checklist bảo mật

  • Nonce 96-bit duy nhất; không reuse.
  • Tag 128-bit; so sánh hằng thời gian.
  • Metadata vào AAD; chống replay nếu cần.
  • Dùng thư viện được kiểm toán (OpenSSL/Botan) thay vì tự cài đặt.
  • Kiểm thử bằng vector GM/T hoặc nội bộ sau mỗi thay đổi.

13. Hạn chế (nếu có)

  • Khóa cố định 128-bit — không có tùy chọn độ dài lớn hơn như AES; không tự động cung cấp forward secrecy (phải kết hợp với KDF/EPHEMERAL keys).
  • Rủi ro nếu reuse nonce hoặc cắt tag (truncated tag) → mất bảo mật/khả năng bị tấn công giả mạo.
  • Giới hạn thực tế về lượng dữ liệu xử lý trên một cặp key/nonce (xem NIST SP 800-38D); vượt ngưỡng giảm an toàn.
  • Vấn đề hiện thực: side-channel (S-box, table lookups), lỗi lập trình GHASH (padding/length) hoặc so sánh tag không hằng thời gian.
  • Hỗ trợ phần cứng/driver có thể khác nhau theo nền tảng—tại một số môi trường ngoài Trung Quốc, SM4 HW acceleration ít phổ biến.

14. Ứng dụng

  • Mã hóa file/volume và lưu trữ bảo mật (FileVault, secure backups).
  • Giao thức mạng: TLS/DTLS/IPsec/SSH extensions khi cần chuẩn SM4 cho môi trường CN hoặc tương thích WAPI.
  • Mã hóa endpoint/firmware, messaging và containers trong hệ sinh thái yêu cầu chuẩn Trung Quốc.
  • Tích hợp TPM/TCM và thiết bị nhúng có hỗ trợ SM4 để tăng hiệu năng phần cứng.

15. Nguồn tham khảo

  • GB/T 32907-2016 — SM4 standard (Trung Quốc).
  • GM/T 0002-2012 — bộ test vectors SM4.
  • NIST SP 800-38D — Galois/Counter Mode (GCM) specification.
  • RFC 8998 — SM4 suite (tham khảo triển khai/profiles).
  • NIST CAVP — kiểm thử và test vectors cho thuật toán khối/AEAD.
  • OpenSSL, Botan documentation — ví dụ CLI/API cho SM4-GCM.
  • Tài liệu nội bộ/whitepapers về WAPI và triển khai SM4 trên TPM/TCM.

(Add hoặc tham chiếu chính xác các link/tài liệu nội bộ theo chính sách dự án.)