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国密算法简介

国密算法是我国自主研发创新的一套数据加密处理系列算法。从SM1-SM4分别实现了对称、非对称、摘要等算法功能。

国密即国家密码局认定的国产密码算法。主要有SM1，SM2，SM3，SM4。密钥长度和分组长度均为 128 位。

  • SM1: 对称加密。算法 不公开 ，加密强度与AES相当。调用该算法时，需要通过加密芯片的接口进行调用。目前在软件开发过程中使用较少。
  • SM2: 非对称加密和签名。该算法已公开。算法基于ECC，签名速度与秘钥生成速度都快于RSA。ECC 256位（SM2采用的就是ECC 256位的一种）安全强度比RSA 2048位高，但运算速度快于RSA。软件开发过程中应用广泛。
  • SM3: 摘要签名(Hash)算法，消息摘要。该算法已公开，校验结果为256位。算法的安全性要高于 MD5 算法和 SHA-1 算法。在报文签名方面应用广泛。
  • SM4: 对称(分组)加密算法。该算法已公开，无线局域网标准的分组数据算法。软件开发领域应用较少。

依赖引入

java 开源社区的 bouncycastle.org 提供了大量的哈希算法和加密算法;
hutool 的 hutool-crypto 模块对加解密方法做了很好的封装，使用起来非常的方便;

<dependency>
    <groupId>org.bouncycastle</groupId>
    <artifactId>bcprov-jdk15to18</artifactId>
    <version>1.72</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>cn.hutool</groupId>
<artifactId>hutool-crypto</artifactId>
<version>5.8.9</version>
</dependency>

使用示例

hutool 国密算法工具 SmUtil

SM2 非对称加解密

1、使用随机生成的密钥对加密或解密

String text="我是一段测试aaaa";

        SM2 sm2=SmUtil.sm2();
// 公钥加密，私钥解密
        String encryptStr=sm2.encryptBcd(text,KeyType.PublicKey);
        String decryptStr=StrUtil.utf8Str(sm2.decryptFromBcd(encryptStr,KeyType.PrivateKey));

2、使用自定义密钥对加密或解密

String text="我是一段测试aaaa";

        KeyPair pair=SecureUtil.generateKeyPair("SM2");
        byte[]privateKey=pair.getPrivate().getEncoded();
        byte[]publicKey=pair.getPublic().getEncoded();

        SM2 sm2=SmUtil.sm2(privateKey,publicKey);
// 公钥加密，私钥解密
        String encryptStr=sm2.encryptBcd(text,KeyType.PublicKey);
        String decryptStr=StrUtil.utf8Str(sm2.decryptFromBcd(encryptStr,KeyType.PrivateKey));

SM3 摘要算法

//结果为：136ce3c86e4ed909b76082055a61586af20b4dab674732ebd4b599eef080c9be
String digestHex=SmUtil.sm3("aaaaa");

SM4 对称加密

String content="test中文";
        SymmetricCrypto sm4=SmUtil.sm4();

        String encryptHex=sm4.encryptHex(content);
        String decryptStr=sm4.decryptStr(encryptHex,CharsetUtil.CHARSET_UTF_8);

算法对比

  • SM2（非对称加密）与其它加密算法比较
    • 国际上通用的非对称加密算法有RSA、D-H算法；
    • SM2属于椭圆曲线加密算法（ECC）
  • SM3(hash算法)与其它hash算法比较
    • 国际上通用的hash算法为SHA系列算法，MD4 MD5算法
    • SM3实在SHA-256基础上改进的算法
  • SM4（对称）与其它算法的比较
    • 国际上通过的对称加密算法是DES/AES算法
    • SM4在进行分组加密的时候进行了非线性变换

SM1 与 AES 的比较

SM1是国家密码管理部门审批的分组密码算法，分组长度和密钥长度都为128比特，算法安全保密强度及相关软硬件实现性能与AES相当，该算法不公开，仅以 IP 核的形式存在于芯片中。

SM1 AES
算法结构 基本圆曲线( ECC ) 基于特殊的可逆模幂运算
区块长度 128bit 128bit
存储空间(长度) 128bit 2048-4096bit
秘钥生成速度 快 好
解密加密速度 快 快

SM2 与 RSA 的比较

SM2算法和RSA算法都是公钥密码算法，SM2算法是一种更先进安全的算法，在我们国家商用密码体系中被用来替换RSA算法。
SM2性能更优更安全：密码复杂度高、处理速度快、硬件性能消耗更小。
注：

  1. 亚指数级算法复杂度不到指数级别的算法。
  2. RSA秘钥生成慢，不建议使用。例：主频5G赫兹的话，RSA需要2-3秒的，车联网中根本无法接受，而SM2只需要几十毫秒。
SM2 RSA
算法结构 ECC的一种 基于特殊的可逆模幂运算
计算复杂度 完全指数级 亚指数级
存储空间(长度) 192-256bit 2048-4096bit
秘钥生成速度 较RSA算法快百倍以上 慢
加密速度 较快 快
解密速度 较快 一般

SM3 与 SHA256 的比较

SM3是摘要加密算法，该算法适用于商用密码应用中的数字签名和验证以及随机数的生成，是在SHA-256基础上改进实现的一种算法。
SM3算法采用Merkle-Damgard结构，消息分组长度为512位，摘要值长度为256位。

SM2 RSA
算法结构 Merkle-Damgard结构 基于特殊的可逆模幂运算
消息长度 2^64位 <2^64位
分组长度 512位 512位
摘要长度 256位 256位
计算步骤 64步 64步
加密速度 快 快

SM4 与 3DES 的比较

SM4分组密码算法是我国自主设计的分组对称密码算法，用于实现数据的加密/解密运算，以保证数据和信息的机密性，是专门为无线局域网产品设计的加密算法。

SM4 3DES
算法结构 非平衡Feistel 使用标准的算术和逻辑运算
计算轮数 32 48
分组长度 128位 128位
秘钥长度 128位 128位
性能 快 中
安全性 快 中

另外，SM7、SM9、ZUC祖冲之算法都属于国密算法范畴，特殊说明SM1和SM9是非公开算法。

算法改造对标

从目前项目里当前经常使用的算法，改为国密算法

待改造算法 改造对标 国密算法
DES、AES ---> SM4
RSA ---> SM2
MD5 ---> SM3

文件存储加密

项目上遇到客户要求，必须使用国密算法进行文件加密后存储。也就是说存储到mongodb，文件必须是加密后的。
选说下方案最总选型：使用 SM4 进行文件加解密。

以下是本地测试参考示例：

算法 加解密 10M 50M 100M 200M 300M 500M 1G 2G 方案选型
SM4 加密 0.2s 0.7s 2.9s 4.4s 7.1s 8.1s 14.8s 31s 推荐SM4
SM4 解密 0.6s 1.9s 7.8s 11.8s 14.2s 19.6s 40s 80s 推荐SM4
SM2 加密 0.3s 1.6s 3.2s 4.45 11.6s 堆内存溢出 堆内存溢出 堆内存溢出 不推荐
SM2 解密 0.4s 2.5s 4.4s 6.1S 6.6s 不推荐