国密算法介绍

Posted 2021-12-28 长沙火山

一、前言

加密是通过“加密算法”将明文加密成密文，可以通过“密钥”和“解密算法”将密文还原成明文。

密码学中应用最为广泛的三类算法：

• 对称算法（分组密码算法）：AES/DES/SM4
• 非对称算法（公钥密码算法）：RSA/SM2
• 摘要算法（杂凑算法）：MD5/SHA-I/SM3

二、国密算法的意义

随着金融安全上升到国家安全高度，近年来国家有关机关和监管机构站在国家安全和长远战略的高度提出了推动国密算法应用实施、加强行业安全可控的要求。摆脱对国外技术和产品的过度依赖，建设行业网络安全环境，增强我国行业信息系统的“安全可控”能力显得尤为必要和迫切。

密码算法是保障信息安全的核心技术，尤其是最关键的银行业核心领域长期以来都是沿用3DES、SHA-1、RSA、AES等国际通用的密码算法体系及相关标准。2010年底，国家密码管理局公布了我国自主研制的“椭圆曲线公钥密码算法”（SM2算法）。为保障重要经济系统密码应用安全，国家密码管理局于2011年发布了《关于做好公钥密码算法升级工作的通知》，要求“自2011年3月1日起，在建和拟建公钥密码基础设施电子认证系统和密钥管理系统应使用国密算法。自2011年7月1日起，投入运行并使用公钥密码的信息系统，应使用SM2算法。”

三、国密算法概述

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：为对称加密。其加密强度与AES相当。该算法不公开，调用该算法时，需要通过加密芯片的接口进行调用。

SM2：非对称加密，基于ECC(椭圆加密算法)。该算法已公开。由于该算法基于ECC，故其签名速度与秘钥生成速度都快于RSA。ECC256位（SM2采用的就是ECC256位的一种）安全强度比RSA 2048位高，但运算速度快于RSA。即SM2>RSA2048，安全度高且运算速度块。

SM3：消息摘要，可以用MD5作为对比理解。该算法已公开。校验结果为256位。

SM4：对称加密，密钥长度和分组长度均为128位。无线局域网标准的分组数据算法。

由于SM1、SM4加解密的分组大小为128bit，故对消息进行加解密时，若消息长度过长，需要进行分组，要消息长度不足，则要进行填充。

算法名称	算法类别	应用领域	特点
SM1	对称（分组）加密算法	芯片	分组长度、密钥长度均为 128 比特
SM2	非对称（基于椭圆曲线 ECC）加密算法	数据加密	ECC 椭圆曲线密码机制 256 位，相比 RSA 处理速度快，消耗更少
SM3	散列（hash）函数算法	完整性校验	安全性及效率与 SHA-256 相当，压缩函数更复杂
SM4	对称（分组）加密算法	数据加密和局域网产品	分组长度、密钥长度均为 128 比特，计算轮数多
SM7	对称（分组）加密算法	非接触式 IC 卡	分组长度、密钥长度均为 128 比特
SM9	标识加密算法（IBE）	端对端离线安全通讯	加密强度等同于 3072 位密钥的 RSA 加密算法
ZUC	对称（序列）加密算法	移动通信 4G 网络	流密码

四、国密算法介绍

1. SM1 分组加密算法

SM1 为分组加密算法，对称加密，分组长度和密钥长度都为 128 位，故对消息进行加解密时，若消息长度过长，需要进行分组，要消息长度不足，则要进行填充。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，调用该算法时，需要通过加密芯片的接口进行调用，采用该算法已经研制了系列芯片、智能 IC 卡、智能密码钥匙、加密卡、加密机等安全产品，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（包括国家政务通、警务通等重要领域），一般了解的人比较少，爬虫工程师也不会遇到这种加密算法。

2. SM2 椭圆曲线公钥加密算法

SM2 为椭圆曲线（ECC）公钥加密算法，非对称加密，SM2 算法和 RSA 算法都是公钥加密算法，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，在不少 gov 网站会见到此类加密算法。我国学者对椭圆曲线密码的研究从 20 世纪 80 年代开始，目前已取得不少成果，SM2 椭圆曲线公钥密码算法比 RSA 算法有以下优势：

	SM2	RSA
安全性	256 位 SM2 强度已超过 RSA-2048	一般
算法结构	基本椭圆曲线（ECC）	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（密钥长度）	192-256 bit	2048-4096 bit
秘钥生成速度	较 RSA 算法快百倍以上	慢
解密加密速度	较快	一般

3. SM3 杂凑算法

SM3 为密码杂凑算法，采用密码散列（hash）函数标准，用于替代 MD5/SHA-1/SHA-2 等国际算法，是在 SHA-256 基础上改进实现的一种算法，消息分组长度为 512 位，摘要值长度为 256 位，其中使用了异或、模、模加、移位、与、或、非运算，由填充、迭代过程、消息扩展和压缩函数所构成。在商用密码体系中，SM3 主要用于数字签名及验证、消息认证码生成及验证、随机数生成等。据国家密码管理局表示，其安全性及效率要高于 MD5 算法和 SHA-1 算法，与 SHA-256 相当。

4. SM4 分组加密算法

SM4 为无线局域网标准的分组加密算法，对称加密，用于替代 DES/AES 等国际算法，SM4 算法与 AES 算法具有相同的密钥长度和分组长度，均为 128 位，故对消息进行加解密时，若消息长度过长，需要进行分组，要消息长度不足，则要进行填充。加密算法与密钥扩展算法都采用 32 轮非线性迭代结构，解密算法与加密算法的结构相同，只是轮密钥的使用顺序相反，解密轮密钥是加密轮密钥的逆序。

	SM4	DES	AES
计算轮数	32	16（3DES 为 16*3）	10/12/14
密码部件	S 盒、非线性变换、线性变换、合成变换	标准算术和逻辑运算、先替换后置换，不含线性变换	S 盒、行移位变换、列混合变换、圈密钥加变换（AddRoundKey）

5. SM7 分组加密算法

SM7 为分组加密算法，对称加密，该算法不公开，应用包括身份识别类应用（非接触式 IC 卡、门禁卡、工作证、参赛证等），票务类应用（大型赛事门票、展会门票等），支付与通卡类应用（积分消费卡、校园一卡通、企业一卡通等）。爬虫工程师基本上不会遇到此类算法。

6. SM9 标识加密算法

SM9 为标识加密算法（Identity-Based Cryptography），非对称加密，标识加密将用户的标识（如微信号、邮件地址、手机号码、QQ 号等）作为公钥，省略了交换数字证书和公钥过程，使得安全系统变得易于部署和管理，适用于互联网应用的各种新兴应用的安全保障，如基于云技术的密码服务、电子邮件安全、智能终端保护、物联网安全、云存储安全等等。这些安全应用可采用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。在商用密码体系中，SM9 主要用于用户的身份认证，据新华网公开报道，SM9 的加密强度等同于 3072 位密钥的 RSA 加密算法。

7. ZUC 祖冲之算法

ZUC 为流密码算法，对称加密，该机密性算法可适用于 3GPP LTE 通信中的加密和解密，该算法包括祖冲之算法（ZUC）、机密性算法（128-EEA3）和完整性算法（128-EIA3）三个部分。已经被国际组织 3GPP 推荐为 4G 无线通信的第三套国际加密和完整性标准的候选算法。

五、加密算法安全性比较

1. SM2和RSA

256位的SM2>2048位的RSA

2. SM3/MD5/SHA-1

MD5输出长度128bit

SHA-1输出长度160bit

SM3输出长度256bit

输出长度越长，安全性越高，所以SM3>SHA-1>MD5

3. SM4/AES/3DES

对称加密算法用于实现数据的加密和解密运算。要保证一个对称加密算法的安全性的基本条件是其具备氹的密钥长度，SM4密钥长度为128bit，分组长度为128bit。所以安全性：SM4>AES>3DES

六、总结

国密算法也不完全是安全的，对算法的攻击，一种常见的手段是SCA（side channel attack，边信道攻击）。RSA/AES/DES都可以被攻破，SM2/SM4也一样。

所以金融领域的产品，特别是银行的移动端产品，都要求必须经过算法的安全认证，那么带有独立算法引擎的安全硬件–加密机就非常重要了。也就是银行中的密管平台系统。