國產加密算法-java實現SM3
一、國產加密算法介紹
國家商用密碼管理辦公室制定了一系列密碼標准，包括SM1（SCB2）、SM2、SM3、SM4、SM7、SM9、祖沖之密碼算法（ZUC)那等等。
其中SM1、SM4、SM7、祖沖之密碼（ZUC）是對稱算法；SM2、SM9是非對稱算法；SM3是哈希算法。目前，這些算法已廣泛應用於各個領域中，期待有一天會有采用國密算法的區塊鏈應用出現。
其中SM1、SM7算法不公開，調用該算法時，需要通過加密芯片的接口進行調用；比較少人了解這些算法，在這里對這些國密算法做簡單的科普
1. SM1對稱密碼
SM1 算法是分組密碼算法，分組長度為128位，密鑰長度都為 128 比特，算法安全保密強度及相關軟硬件實現性能與 AES 相當，算法不公開，僅以IP核的形式存在於芯片中。
采用該算法已經研制了系列芯片、智能IC卡、智能密碼鑰匙、加密卡、加密機等安全產品，廣泛應用於電子政務、電子商務及國民經濟的各個應用領域（包括國家政務通、警務通等重要領域）。
2. SM2橢圓曲線公鑰密碼算法(vs ECDSA、ECDH)
SM2算法就是ECC橢圓曲線密碼機制，但在簽名、密鑰交換方面不同於ECDSA、ECDH等國際標准，而是采取了更為安全的機制。另外，SM2推薦了一條256位的曲線作為標准曲線。
SM2標准包括總則，數字簽名算法，密鑰交換協議，公鑰加密算法四個部分，並在每個部分的附錄詳細說明了實現的相關細節及示例。
SM2算法主要考慮素域Fp和F2m上的橢圓曲線，分別介紹了這兩類域的表示，運算，以及域上的橢圓曲線的點的表示，運算和多倍點計算算法。然后介紹了編程語言中的數據轉換，包括整數和字節串，字節串和比特串，域元素和比特串，域元素和整數，點和字節串之間的數據轉換規則。
詳細說明了有限域上橢圓曲線的參數生成以及驗證，橢圓曲線的參數包括有限域的選取，橢圓曲線方程參數，橢圓曲線群基點的選取等，並給出了選取的標准以便於驗證。最后給橢圓曲線上密鑰對的生成以及公鑰的驗證，用戶的密鑰對為（s，sP），其中s為用戶的私鑰，sP為用戶的公鑰，由於離散對數問題從sP難以得到s，並針對素域和二元擴域給出了密鑰對生成細節和驗證方式。總則中的知識也適用於SM9算法。
在總則的基礎上給出了數字簽名算法（包括數字簽名生成算法和驗證算法），密鑰交換協議以及公鑰加密算法（包括加密算法和解密算法），並在每個部分給出了算法描述，算法流程和相關示例。
數字簽名算法，密鑰交換協議以及公鑰加密算法都使用了國家密管理局批准的SM3密碼雜湊算法和隨機數發生器。數字簽名算法，密鑰交換協議以及公鑰加密算法根據總則來選取有限域和橢圓曲線，並生成密鑰對。
SM2算法在很多方面都優於RSA算法（RSA發展得早應用普遍，SM2領先也很自然），與RSA安全性對比如下圖
3. SM3雜湊算法(vs SHA-256)
SM3密碼雜湊（哈希、散列）算法給出了雜湊函數算法的計算方法和計算步驟，並給出了運算示例。此算法適用於商用密碼應用中的數字簽名和驗證，消息認證碼的生成與驗證以及隨機數的生成，可滿足多種密碼應用的安全需求。在SM2，SM9標准中使用。
此算法對輸入長度小於2的64次方的比特消息，經過填充和迭代壓縮，生成長度為256比特的雜湊值，其中使用了異或，模，模加，移位，與，或，非運算，由填充，迭代過程，消息擴展和壓縮函數所構成。具體算法及運算示例見SM3標准。
2005年,Wang等人給出了MD5算法和SHA-1算法的碰撞攻擊方法，現今被廣泛應用的MD5算法和SHA-1算法不再是安全的算法。
SM3密碼摘要算法是中國國家密碼管理局2010年公布的中國商用密碼雜湊算法標准。SM3算法適用於商用密碼應用中的數字簽名和驗證，是在SHA-256基礎上改進實現的一種算法。SM3算法采用Merkle-Damgard結構，消息分組長度為512位，摘要值長度為256位。
SM3算法的壓縮函數與SHA-256的壓縮函數具有相似的結構,但是SM3算法的設計更加復雜,比如壓縮函數的每一輪都使用2個消息字。
現今為止，SM3算法的安全性相對較高。
SM3主要用於數字簽名及驗證、消息認證碼生成及驗證、隨機數生成等，其算法公開。據國家密碼管理局表示，其安全性及效率與SHA-256相當。
4. SM4對稱算法(vs DES)
此算法是一個分組算法，用於無線局域網產品。該算法的分組長度為128比特，密鑰長度為128比特。加密算法與密鑰擴展算法都采用32輪非線性迭代結構。解密算法與加密算法的結構相同，只是輪密鑰的使用順序相反，解密輪密鑰是加密輪密鑰的逆序。
此算法采用非線性迭代結構，每次迭代由一個輪函數給出，其中輪函數由一個非線性變換和線性變換復合而成，非線性變換由S盒所給出。其中rki為輪密鑰，合成置換T組成輪函數。輪密鑰的產生與上圖流程類似，由加密密鑰作為輸入生成，輪函數中的線性變換不同，還有些參數的區別。SM4算法的具體描述和示例見SM4標准。
國際的DES算法和國產的SM4算法的目的都是為了加密保護靜態儲存和傳輸信道中的數據，主要特性如下：
5. SM7對稱密碼
SM7算法，是一種分組密碼算法，分組長度為128比特，密鑰長度為128比特。SM7適用於非接觸式IC卡，應用包括身份識別類應用(門禁卡、工作證、參賽證)，票務類應用(大型賽事門票、展會門票)，支付與通卡類應用（積分消費卡、校園一卡通、企業一卡通等）。
6. SM9標識密碼算法
為了降低公開密鑰系統中密鑰和證書管理的復雜性，以色列科學家、RSA算法發明人之一Adi Shamir在1984年提出了標識密碼（Identity-Based Cryptography）的理念。標識密碼將用戶的標識（如郵件地址、手機號碼、QQ號碼等）作為公鑰，省略了交換數字證書和公鑰過程，使得安全系統變得易於部署和管理，非常適合端對端離線安全通訊、雲端數據加密、基於屬性加密、基於策略加密的各種場合。2008年標識密碼算法正式獲得國家密碼管理局頒發的商密算法型號：SM9(商密九號算法)，為我國標識密碼技術的應用奠定了堅實的基礎。
SM9算法不需要申請數字證書，適用於互聯網應用的各種新興應用的安全保障。如基於雲技術的密碼服務、電子郵件安全、智能終端保護、物聯網安全、雲存儲安全等等。這些安全應用可采用手機號碼或郵件地址作為公鑰，實現數據加密、身份認證、通話加密、通道加密等安全應用，並具有使用方便，易於部署的特點，從而開啟了普及密碼算法的大門。
7. ZUC祖沖之算法
祖沖之序列密碼算法是中國自主研究的流密碼算法,是運用於移動通信4G網絡中的國際標准密碼算法,該算法包括祖沖之算法(ZUC)、加密算法(128-EEA3)和完整性算法(128-EIA3)三個部分。目前已有對ZUC算法的優化實現，有專門針對128-EEA3和128-EIA3的硬件實現與優化。
密碼算法作為國家戰略資源，比歷史上任何時候都顯得更為關鍵。在大數據和雲計算的時代，關鍵信息往往通過數據挖掘技術在海量數據中獲得，所以每一個人的信息保護都非常重要。
8. 密碼散列函數
密碼散列函數（英語：Cryptographic hash function），又譯為加密散列函數、密碼散列函數、加密散列函數，是散列函數的一種。它被認為是一種單向函數，也就是說極其難以由散列函數輸出的結果，回推輸入的數據是什么。這樣的單向函數被稱為“現代密碼學的馱馬”。這種散列函數的輸入數據，通常被稱為消息（message），而它的輸出結果，經常被稱為消息摘要（message digest）或摘要（digest）。
在信息安全中，有許多重要的應用，都使用了密碼散列函數來實現，例如數字簽名，消息認證碼。
二. SM3
2.1 java 實現
SM3摘要算法對應的是目前比較流行的hash算法MD5,結果為32位字節,可轉化成64位16進制字符.
參照網上帖子匯總
import cn.hutool.crypto.SmUtil;
import org.bouncycastle.crypto.digests.SM3Digest;
import org.bouncycastle.crypto.macs.HMac;
import org.bouncycastle.crypto.params.KeyParameter;
import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
import org.bouncycastle.pqc.math.linearalgebra.ByteUtils;
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.security.Security;
import java.util.Arrays;
public class Sm3Utils {
private static final String ENCODING = "UTF-8";
static {
Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
}
/**
* sm3算法加密
* @explain
* @param paramStr
* 待加密字符串
* @return 返回加密后，固定長度=32的16進制字符串
*/
public static String encrypt(String paramStr){
// 將返回的hash值轉換成16進制字符串
String resultHexString = "";
try {
// 將字符串轉換成byte數組
byte[] srcData = paramStr.getBytes(ENCODING);
// 調用hash()
byte[] resultHash = hash(srcData);
// 將返回的hash值轉換成16進制字符串
resultHexString = ByteUtils.toHexString(resultHash);
} catch (UnsupportedEncodingException e) {
e.printStackTrace();
}
return resultHexString;
}
/**
* 返回長度=32的byte數組
* @explain 生成對應的hash值
* @param srcData
* @return
*/
public static byte[] hash(byte[] srcData) {
SM3Digest digest = new SM3Digest();
//update the message digest with a single byte.
digest.update(srcData, 0, srcData.length);
byte[] hash = new byte[digest.getDigestSize()];
//close the digest, producing the final digest value.
digest.doFinal(hash, 0);
return hash;
}
/**
* sm3算法加密
* @explain
* @param paramStr
* 待加密字符串
* @param key
* 密鑰
* @return 返回加密后，固定長度=32的16進制字符串
*/
public static String encryptPlus(String paramStr,String key){
// 將返回的hash值轉換成16進制字符串
String resultHexString = "";
try {
// 將字符串轉換成byte數組
byte[] srcData = paramStr.getBytes(ENCODING);
// 調用hash()
byte[] resultHash = hmac(srcData,key.getBytes(ENCODING));
// 將返回的hash值轉換成16進制字符串
resultHexString = ByteUtils.toHexString(resultHash);
} catch (UnsupportedEncodingException e) {
e.printStackTrace();
}
return resultHexString;
}
/**
* 通過密鑰進行加密
* @explain 指定密鑰進行加密
* @param key
* 密鑰
* @param srcData
* 被加密的byte數組
* @return
*/
public static byte[] hmac(byte[] key, byte[] srcData) {
KeyParameter keyParameter = new KeyParameter(key);
SM3Digest digest = new SM3Digest();
HMac mac = new HMac(digest);
mac.init(keyParameter);
mac.update(srcData, 0, srcData.length);
byte[] result = new byte[mac.getMacSize()];
mac.doFinal(result, 0);
return result;
}
/**
* 判斷源數據與加密數據是否一致
* @explain 通過驗證原數組和生成的hash數組是否為同一數組，驗證2者是否為同一數據
* @param srcStr
* 原字符串
* @param sm3HexString
* 16進制字符串
* @return 校驗結果
*/
public static boolean verify(String srcStr, String sm3HexString) {
boolean flag = false;
try {
//使用指定的字符集將字符串編碼為 byte 序列，並將結果存儲到一個新的 byte 數組中
byte[] srcData = srcStr.getBytes(ENCODING);
//16進制 --> byte[]
byte[] sm3Hash = ByteUtils.fromHexString(sm3HexString);
byte[] newHash = hash(srcData);
//判斷數組是否相等
if (Arrays.equals(newHash, sm3Hash)) {
flag = true;
}
} catch (UnsupportedEncodingException e) {
e.printStackTrace();
}
return flag;
}
/***********************使用Hutool工具類*****************************************************************************************/
/**
* sm3算法加密
*
* @param paramStr 待加密字符串
* @return 返回加密后，固定長度=32的16進制字符串
* @explain
*/
public static String encryptSm3ByHutool(String paramStr) {
return SmUtil.sm3(paramStr);
}
/**
* 判斷源數據與加密數據是否一致(Hutool)
*
* @param srcStr 原字符串
* @param sm3HexString 16進制字符串
* @return 校驗結果
*/
public static boolean verifySm3ByHutool(String srcStr, String sm3HexString) {
boolean flag = false;
if (sm3HexString.equals(encryptSm3ByHutool(srcStr))) {
flag = true;
}
return flag;
}
/***********************使用Hutool工具類*****************************************************************************************/
}
三、參考文檔
官方文檔：
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