国产加密算法 -java 实现 SM3

一、国产加密算法介绍

国家商用明码治理办公室制订了一系列明码规范，包含 SM1（SCB2）、SM2、SM3、SM4、SM7、SM9、祖冲之明码算法（ZUC)那等等。

其中 SM1、SM4、SM7、祖冲之明码（ZUC）是对称算法；SM2、SM9 是非对称算法；SM3 是哈希算法。目前，这些算法已广泛应用于各个领域中，期待有一天会有采纳国密算法的区块链利用呈现。

其中 SM1、SM7 算法不公开，调用该算法时，须要通过加密芯片的接口进行调用；比拟少人理解这些算法，在这里对这些国密算法做简略的科普

1. SM1 对称明码

SM1 算法是分组明码算法，分组长度为 128 位，密钥长度都为 128 比特，算法平安窃密强度及相干软硬件实现性能与 AES 相当，算法不公开，仅以 IP 核的模式存在于芯片中。

采纳该算法曾经研制了系列芯片、智能 IC 卡、智能明码钥匙、加密卡、加密机等平安产品，广泛应用于电子政务、电子商务及国民经济的各个应用领域（包含国家政务通、警务通等重要畛域）。

2. SM2 椭圆曲线公钥明码算法(vs ECDSA、ECDH)

SM2 算法就是 ECC 椭圆曲线明码机制，但在签名、密钥替换方面不同于 ECDSA、ECDH 等国际标准，而是采取了更为平安的机制。另外，SM2 举荐了一条 256 位的曲线作为规范曲线。
SM2 规范包含总则，数字签名算法，密钥替换协定，公钥加密算法四个局部，并在每个局部的附录具体阐明了实现的相干细节及示例。

SM2 算法次要思考素域 Fp 和 F2m 上的椭圆曲线，别离介绍了这两类域的示意，运算，以及域上的椭圆曲线的点的示意，运算和多倍点计算算法。而后介绍了编程语言中的数据转换，包含整数和字节串，字节串和比特串，域元素和比特串，域元素和整数，点和字节串之间的数据转换规则。

具体阐明了无限域上椭圆曲线的参数生成以及验证，椭圆曲线的参数包含无限域的选取，椭圆曲线方程参数，椭圆曲线群基点的选取等，并给出了选取的规范以便于验证。最初给椭圆曲线上密钥对的生成以及公钥的验证，用户的密钥对为（s，sP），其中 s 为用户的私钥，sP 为用户的公钥，因为离散对数问题从 sP 难以失去 s，并针对素域和二元扩域给出了密钥对生成细节和验证形式。总则中的常识也实用于 SM9 算法。

在总则的根底上给出了数字签名算法（包含数字签名生成算法和验证算法），密钥替换协定以及公钥加密算法（包含加密算法和解密算法），并在每个局部给出了算法形容，算法流程和相干示例。
数字签名算法，密钥替换协定以及公钥加密算法都应用了国家密管理局批准的 SM3 明码杂凑算法和随机数发生器。数字签名算法，密钥替换协定以及公钥加密算法依据总则来选取无限域和椭圆曲线，并生成密钥对。
SM2 算法在很多方面都优于 RSA 算法（RSA 倒退得早利用广泛，SM2 当先也很天然），与 RSA 安全性对比方下图

3. SM3 杂凑算法(vs SHA-256)

SM3 明码杂凑（哈希、散列）算法给出了杂凑函数算法的计算方法和计算步骤，并给出了运算示例。此算法实用于商用明码利用中的数字签名和验证，音讯认证码的生成与验证以及随机数的生成，可满足多种明码利用的平安需要。在 SM2，SM9 规范中应用。

此算法对输出长度小于 2 的 64 次方的比特音讯，通过填充和迭代压缩，生成长度为 256 比特的杂凑值，其中应用了异或，模，模加，移位，与，或，非运算，由填充，迭代过程，音讯扩大和压缩函数所形成。具体算法及运算示例见 SM3 规范。

2005 年,Wang 等人给出了 MD5 算法和 SHA- 1 算法的碰撞攻打办法，现今被广泛应用的 MD5 算法和 SHA- 1 算法不再是平安的算法。

SM3 明码摘要算法是中国国家明码管理局 2010 年颁布的中国商用明码杂凑算法规范。SM3 算法实用于商用明码利用中的数字签名和验证，是在 SHA-256 根底上改良实现的一种算法。SM3 算法采纳 Merkle-Damgard 构造，音讯分组长度为 512 位，摘要值长度为 256 位。

SM3 算法的压缩函数与 SHA-256 的压缩函数具备类似的构造, 然而 SM3 算法的设计更加简单, 比方压缩函数的每一轮都应用 2 个音讯字。

现今为止，SM3 算法的安全性绝对较高。

SM3 次要用于数字签名及验证、音讯认证码生成及验证、随机数生成等，其算法公开。据国家明码管理局示意，其安全性及效率与 SHA-256 相当。

4. SM4 对称算法(vs DES)

此算法是一个分组算法，用于无线局域网产品。该算法的分组长度为 128 比特，密钥长度为 128 比特。加密算法与密钥扩大算法都采纳 32 轮非线性迭代构造。解密算法与加密算法的构造雷同，只是轮密钥的应用程序相同，解密轮密钥是加密轮密钥的逆序。

此算法采纳非线性迭代构造，每次迭代由一个轮函数给出，其中轮函数由一个非线性变换和线性变换复合而成，非线性变换由 S 盒所给出。其中 rki 为轮密钥，合成置换 T 组成轮函数。轮密钥的产生与上图流程相似，由加密密钥作为输出生成，轮函数中的线性变换不同，还有些参数的区别。SM4 算法的具体形容和示例见 SM4 规范。

国内的 DES 算法和国产的 SM4 算法的目标都是为了加密爱护动态贮存和传输信道中的数据，次要个性如下：

5. SM7 对称明码

SM7 算法，是一种分组明码算法，分组长度为 128 比特，密钥长度为 128 比特。SM7 实用于非接触式 IC 卡，利用包含身份辨认类利用(门禁卡、工作证、参赛证)，票务类利用(大型赛事门票、展会门票)，领取与通卡类利用（积分生产卡、校园一卡通、企业一卡通等）。

6. SM9 标识明码算法

为了升高公开密钥零碎中密钥和证书治理的复杂性，以色列科学家、RSA 算法发明人之一 Adi Shamir 在 1984 年提出了标识明码（Identity-Based Cryptography）的理念。标识明码将用户的标识（如邮件地址、手机号码、QQ 号码等）作为公钥，省略了替换数字证书和公钥过程，使得平安零碎变得易于部署和治理，非常适合端对端离线平安通信、云端数据加密、基于属性加密、基于策略加密的各种场合。2008 年标识明码算法正式取得国家明码管理局颁发的商密算法型号：SM9(商密九号算法)，为我国标识明码技术的利用奠定了松软的根底。

SM9 算法不须要申请数字证书，实用于互联网利用的各种新兴利用的平安保障。如基于云技术的明码服务、电子邮件平安、智能终端爱护、物联网平安、云存储平安等等。这些平安利用可采纳手机号码或邮件地址作为公钥，实现数据加密、身份认证、通话加密、通道加密等平安利用，并具备使用方便，易于部署的特点，从而开启了遍及明码算法的大门。

7. ZUC 祖冲之算法

祖冲之序列密码算法是中国自主钻研的流明码算法, 是使用于挪动通信 4G 网络中的国际标准明码算法, 该算法包含祖冲之算法 (ZUC)、加密算法(128-EEA3) 和完整性算法 (128-EIA3) 三个局部。目前已有对 ZUC 算法的优化实现，有专门针对 128-EEA3 和 128-EIA3 的硬件实现与优化。

明码算法作为国家策略资源，比历史上任何时候都显得更为要害。在大数据和云计算的时代，要害信息往往通过数据挖掘技术在海量数据中取得，所以每一个人的信息爱护都十分重要。

8. 明码散列函数

明码散列函数 （英语：Cryptographic hash function），又译为 加密散列函数 、 明码散列函数 、 加密散列函数 ，是散列函数的一种。它被认为是一种单向函数，也就是说极其难以由散列函数输入的后果，回推输出的数据是什么。这样的单向函数被称为“古代密码学的驮马”。这种散列函数的输出数据，通常被称为 音讯 （message），而它的输入后果，常常被称为 音讯摘要 （message digest）或 摘要（digest）。

在信息安全中，有许多重要的利用，都应用了明码散列函数来实现，例如数字签名，音讯认证码。

二. SM3

2.1 java 实现

SM3 摘要算法对应的是目前比拟风行的 hash 算法 MD5, 后果为 32 位字节, 可转化成 64 位 16 进制字符.

参照网上帖子汇总

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;

/**
 * @author chuchunqing
 * @date 2022/1/6
 */
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，固定长度 =32 的 16 进制字符串
     */
    public static String encrypt(String paramStr){
        // 将返回的 hash 值转换成 16 进制字符串
        String resultHexString = "";
        try {
            // 将字符串转换成 byte 数组
            byte[] srcData = paramStr.getBytes(ENCODING);
            // 调用 hash()
            byte[] resultHash = hash(srcData);
            // 将返回的 hash 值转换成 16 进制字符串
            resultHexString = ByteUtils.toHexString(resultHash);
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {e.printStackTrace();
        }
        return resultHexString;
    }

    /**
     * 返回长度 =32 的 byte 数组
     * @explain 生成对应的 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
     *            密钥
     * @return 返回加密后，固定长度 =32 的 16 进制字符串
     */
    public static String encryptPlus(String paramStr,String key){
        // 将返回的 hash 值转换成 16 进制字符串
        String resultHexString = "";
        try {
            // 将字符串转换成 byte 数组
            byte[] srcData = paramStr.getBytes(ENCODING);
            // 调用 hash()
            byte[] resultHash = hmac(srcData,key.getBytes(ENCODING));
            // 将返回的 hash 值转换成 16 进制字符串
            resultHexString = ByteUtils.toHexString(resultHash);
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {e.printStackTrace();
        }
        return resultHexString;
    }

    /**
     * 通过密钥进行加密
     * @explain 指定密钥进行加密
     * @param key
     *            密钥
     * @param srcData
     *            被加密的 byte 数组
     * @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;
    }

    /**
     * 判断源数据与加密数据是否统一
     * @explain 通过验证原数组和生成的 hash 数组是否为同一数组，验证 2 者是否为同一数据
     * @param srcStr
     *            原字符串
     * @param sm3HexString
     *            16 进制字符串
     * @return 校验后果
     */
    public static boolean verify(String srcStr, String sm3HexString) {
        boolean flag = false;
        try {
            // 应用指定的字符集将字符串编码为 byte 序列，并将后果存储到一个新的 byte 数组中
            byte[] srcData = srcStr.getBytes(ENCODING);
            //16 进制 --> byte[]
            byte[] sm3Hash = ByteUtils.fromHexString(sm3HexString);
            byte[] newHash = hash(srcData);
            // 判断数组是否相等
            if (Arrays.equals(newHash, sm3Hash)) {flag = true;}
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {e.printStackTrace();
        }
        return flag;
    }
/*********************** 应用 Hutool 工具类 *****************************************************************************************/
    /**
     * sm3 算法加密
     *
     * @param paramStr 待加密字符串
     * @return 返回加密后，固定长度 =32 的 16 进制字符串
     * @explain
     */
    public static String encryptSm3ByHutool(String paramStr) {return SmUtil.sm3(paramStr);
    }
    /**
     * 判断源数据与加密数据是否统一(Hutool)
     *
     * @param srcStr       原字符串
     * @param sm3HexString 16 进制字符串
     * @return 校验后果
     */
    public static boolean verifySm3ByHutool(String srcStr, String sm3HexString) {
        boolean flag = false;
        if (sm3HexString.equals(encryptSm3ByHutool(srcStr))) {flag = true;}
        return flag;
    }
/*********************** 应用 Hutool 工具类 *****************************************************************************************/
}

三、参考文档

官网文档：

1. 明码行业标准化技术委员会；
2. 国家明码管理局
3. SM3Digest 类的 API;

感觉写的好的博文:

1. 【人人都懂密码学】一篇最易懂的 Java 密码学入门教程
2. B 站 - 尚硅谷 - 网络安全之密码学
3. https://zhuanlan.zhihu.com/p/…
4. https://blog.csdn.net/cg12905…
5. https://jueee.github.io/2021/…
6. https://www.jianshu.com/p/8c3…；

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