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数说国密算法

1872字约6分钟

2023-06-03

国密算法简介

什么是国密算法

国密算法即国家密码局认定的国产加密算法，也称为“商用密码算法”，包括 SM1、SM2、SM3、SM4、SM7、SM9 等。SM 代表商密，即商业密码，是指用于商业的、不涉及国家秘密的密码技术。

国密算法的设计目标是保证安全性、高效性和 自主可控性，这些算法已经被广泛应用于中国政府和企业的信息安全领域，也逐渐得到了国际认可和应用。

除 SM1 和 SM7 的算法不公开外，其余算法都已成为 ISO/IEC 国际标准。

各种国密算法的特点

算法类型对标算法公开适用场景
SM1对称-否智能 IC 卡、智能密码钥匙、加密卡、加密机
SM2非对称RSA是数字签名、密钥交换、身份验证、安全通信
SM3哈希MD5/SHA是数字签名及验证、验证码、随机数生成
SM4对称DES/AES是适用于轻量级加密场景
SM7对称-否IC 门禁卡、票务，支付与一卡通等
SM9非对称-是将用户的标识作为公钥，用于用户身份认证

一般软件开发，重点关注 SM2 和 SM4 即可

分组加密算法 AES vs SM4

AES 和 SM4 都是安全性较高的对称分组加密算法，适用于金融、军事、物联网、移动设备等场景。

在这两个算法中，都有 加密模式 和 填充方式 ，这两个概念可以看成是对称加密算法的参数和格式选择。

加密模式

  • ：CBC（Cipher Block Chaining）模式是一种分组密码的工作模式，它需要一个初始向量（IV）进行加密。在 CBC 模式中，每个明文块都会与前一个密文块进行异或操作，然后再进行加密。由于个密文块都依赖于前一个密文块，因此 CBC 模式可以提供更好的安全性。但是，由于每个明文块都依赖于前一个密文块，因此 CBC 模式无法进行并行加密，因此速度较慢。
  • CFB 模式：CFB（Cipher）模式是一种分组密码的工作模式，它可以将分组密码转换为流密码。在 CFB 模式中，加密器将前一个密文块作为输入，然后生成一个密钥流，再将密钥流与明文块进行异或操作，得到密文块。由于 CFB 模式可以将分组密码转换为流密码，因此它可以进行并行加密，速度较快。但是，由于每个密文块都依赖于前一个密文块，因此 CFB 模式无法提供与 CBC 模式相同的安全性。
  • OFB 模式：OFB（Output Feedback）模式是一种分组密码的工作模式，它可以将分组密码转换为流密码。在 OFB 模式中，加密器将前一个密钥流作为输入，然后生成一个新的密钥流，再将密钥流与明文块进行异或操作，得到密文块。由于 OFB 模式可以将分组密码转换为流密码，因此它可以进行并行加密，速度较快。与 CFB 模式类似，OFB 模式也无法提供与 CBC 模式相同的安全性。
  • ECB 模式：ECB（Electronic Codebook）模式是一种分组密码的工作模式，它将明文分成定长度的块，然后对每个块进行独立加密。由于 ECB 模式对于相同的明文块会生成相同的密文块，因此它容易受到密码分析攻击。ECB 模式可以进行并行加密，速度较快，但是安全性较差，不建议使用。

建议使用CBC模式

填充方式

  • ：PKCS5Padding 填充方式是一种填充方式，它会在明文末尾添加填充字节，以达到分组长度的数倍。填充字节的值等于需要填充的字节数。例如，如果明文长度为 14 字节，分组长度为 16 字节，则需要添加 2 个填充字节，值为 0x02。PKCS5Padding 填充方式可以提供良好的安全性，是最常用的填充方式之一。
  • NoPadding 填充方式：NoPadding 填充方式不会对明文进行任何填充，因此明文长度必须是分组长度的整数倍。如果明文长度不是分组长度的整数倍，则需要在明文末尾添加空格或其他字符，使其长度达到分组长度的整数倍。由于 NoPadding 填充方式不会对明文进行任何填充，因此它可以提供更好的安全性。
  • ISO10126Padding 填充方式：ISO10126Padding 填充方式会在明文末尾添加随机生成的填充字节，以达到分组长度的整数倍。由于 ISO10126Padding 填充方式会添加随机生成的填充字节，因此它可以提供更好的安全性。

建议使用 PKCS5Padding 填充方式

AES和SM4比较

特点AESSM4
密钥长度128、192、256位128位
块大小128位128位
加密模式ECB、CBC、CFB、OFB、CTR等ECB、CBC、CFB、OFB、CTR等
填充模式NoPadding、PKCS5Padding、ISO10126Padding等NoPadding、PKCS5Padding等

非对称加密算法 RSA vs SM2

RSA 和 SM2 都是安全性较高的非对称加密算法，适用于数字签名、密钥交换。

在这两个算法中，都有 公钥 和 私钥 的概念，公钥可以公开，私钥是私密的，这样一对公私钥称为 密钥对。

非对称加密用于通讯

一般来说，都是公钥加密，私钥解密，但这样只能单边通讯，如果系统双方需要相互通讯，可以生成两对密钥对。各自保存好自己的私钥和对方的公钥，用公钥加密，私钥进行解密。

但是非对称加密比对称加密要慢得多，在实际应用时，非对称加密总是和对称加密一起使用，例如非对称加密用来传输对称加密的密钥，随后用速度较快的对称加密来传输。

非对称加密用于验签

非对称加密还有另一种私钥加密，公钥解密的用法，但通常不用来传输密文，而是用于签名验签，原理是，如果一个密文公钥能解密出来，说明一定是私钥加密的，而不是其他人加密的。

摘要算法 MD5/SHA vs SM3

信息摘要（Hash安全散列）算法，也叫哈希算法，哈希值也叫散列值，不可逆，不需要秘钥。

MD5 和 SHA-256 都是密码散列函数，加密不可逆。虽然都不能防止碰撞，但是相对而言，MD5比较容易碰撞，安全性没有SHA-256高。

据官方称，SM3安全性及效率与SHA-256相当.

Java 将 AES/RSA/SHA/MD5 改造成 SM4/SM2/SM3

可使用 bouncycastle 库，在1.57版本之后，加入了对SM2、SM3、SM4算法的支持。

具体实现封装可见下文参考链接。

<dependency>
    <groupId>org.bouncycastle</groupId>
    <artifactId>bcprov-jdk15on</artifactId>
    <version>1.70</version>
</dependency>

参考