SM4算法简介

Posted 2023-04-03 m0_74043383

  SM4为分组对称密码算法，明文、密文以及密钥长度均为 $128$ bits。SM4算法主要包括加解密算法和密钥扩展算法，采用 $32$ 轮非线性迭代的数学结构，其中算法中每一次迭代运算为一轮非线性变换。主要操作包括异或、合成置换、非线性迭代、反序变换、循环移位以及S盒变换等。加密算法和解密算法的数学架构、运算法则、运算操作等都是完全相同的，解密运算只需要将加密算法中生成的轮密钥进行反序使用。其流程图如下图所示。

图1. SM4密码算法加密流程图

密钥扩展算法

   设加密主密钥 $MK=(M{K}_0,M{K}_1,M{K}_2,M{K}_3)$， $M{K}_i\in 0,1{}^{32}$
$(K_0,K_1,K_2,K_3)=(M{K}_0\oplus F{K}_0,M{K}_1\oplus F{K}_1,M{K}_2\oplus F{K}_2,M{K}_3\oplus F{K}_3)$
$r{k}_i=K_{i+4}=K_i\oplus T^{{}^{\prime }}(K_{i+1}\oplus K_{i+2}\oplus K_{i+3}\oplus C{K}_i)$

$T^{{}^{\prime }}$变换

$T^{{}^{\prime }}(B)=B\oplus (B<<<13)\oplus (B<<<23)$

系统参数 $FK$

$F{K}_i$	十六进制取值
$F{K}_0$	A3B1BAC6
$F{K}_1$	56AA3350
$F{K}_2$	677D9197
$F{K}_3$	B27022DC

固定参数$CK$

固定参数 CK 的取值
000070e15	1c232a31	383f464d	545b6269
70777e85	8c939aa1	a8afb6bd	c4cbd2d9
e0e7eef5	fc030a11	181f262d	343b4249
50575e65	6c737a81	888f969d	a4abb2b9
c0c7ced5	dce3eaf1	f8ff060d	141b2229
3037aeb5	4c535a61	686f767d	848b9299
a0a7aeb5	bcc3cad1	d8dfe6ed	f4fb0209
10171e25	2e333a41	484f565d	646b7279

加解密算法

   设输入明文为：$(X_0,X_1,X_2,X_3)\in 0,1{}^{32\times 4}$, 密文输出为：$(Y_0,Y_1,Y_2,Y_3)\in 0,1{}^{32\times 4}$， 轮密钥 $r{k}_i\in 0,1{}^{32\times 4}$, 其中 $i\in 0,1,\cdots 31$.SM4密码算法的具体加密过程如下：
$X_{i+1}=F(X_i,X_{i+1},X_{i+2},X_{i+3},r{k}_i)=X_i\oplus T(X_{i+1}\oplus X_{i+2}\oplus X_{目录}$

简介

项目集成

引入依赖

测试

编写 PasswordEncoder

定义SM4PasswordEncoder

配置文件定义

properties类

注册为Bean

密码加密

---

简介

项目中要求密码加密算法使用国家的密码标准SM4.0，下面来介绍下。

SM4算法是我国发布的商用密码算法中的分组密码算法，是一种迭代分组密码算法，由加解密算法和密钥扩展算法组成。其分组长度和密钥长度均为128比特，加密算法和密钥扩展算法迭代轮数均为32轮。SM4加解密过程的算法相同但是轮密钥的使用顺序相反。SM4算法具有安全高效的功能特点，在设计和实现方面具有一定的优势。

项目集成

在项目中登录以及鉴权使用的是Spring Security，与框架的集成如下。

引入依赖

首先需要引入如下两个依赖

<dependency>
            <groupId>cn.hutool</groupId>
            <artifactId>hutool-all</artifactId>
            <version>$hutool.version</version>
        </dependency>
        <!-- 加密解密包 -->
        <dependency>
            <groupId>org.bouncycastle</groupId>
            <artifactId>bcprov-jdk15to18</artifactId>
            <version>$bcprov.version</version>
        </dependency>

测试

工具类中可以使用如下方法自行测试加密效果

public static void main(String[] args) 
    try 

        //自定义秘钥
        String key = "6gsx@654hs68456!";
        String password="123456";
        SymmetricCrypto crypto = SmUtil.sm4(key.getBytes());
        String s2 = crypto.encryptHex(password);
        String s3 = crypto.decryptStr(s2);


        System.out.println(s2);
        System.out.println(s3);

        //用工具类生成，此处使用随机秘钥，加解密需要使用同一个示例才可得到原始密码
        SM4 sm4 = SmUtil.sm4();

     catch (Exception e) 
        throw new RuntimeException(e);
    

编写 PasswordEncoder

Spring Security默认支持的密码算法如下：

public static PasswordEncoder createDelegatingPasswordEncoder() 
		String encodingId = "bcrypt";
		Map<String, PasswordEncoder> encoders = new HashMap<>();
		encoders.put(encodingId, new BCryptPasswordEncoder());
		encoders.put("ldap", new org.springframework.security.crypto.password.LdapShaPasswordEncoder());
		encoders.put("MD4", new org.springframework.security.crypto.password.Md4PasswordEncoder());
		encoders.put("MD5", new org.springframework.security.crypto.password.MessageDigestPasswordEncoder("MD5"));
		encoders.put("noop", org.springframework.security.crypto.password.NoOpPasswordEncoder.getInstance());
		encoders.put("pbkdf2", new Pbkdf2PasswordEncoder());
		encoders.put("scrypt", new SCryptPasswordEncoder());
		encoders.put("SHA-1", new org.springframework.security.crypto.password.MessageDigestPasswordEncoder("SHA-1"));
		encoders.put("SHA-256",
				new org.springframework.security.crypto.password.MessageDigestPasswordEncoder("SHA-256"));
		encoders.put("sha256", new org.springframework.security.crypto.password.StandardPasswordEncoder());
		encoders.put("argon2", new Argon2PasswordEncoder());
		return new DelegatingPasswordEncoder(encodingId, encoders);
	

在我们集成登录时候，会将登录的密码与用户的密码作比较，因此我们需要自定义一个新的PasswordEncoder来替换掉默认的。

定义SM4PasswordEncoder

public class SM4PasswordEncoder implements PasswordEncoder 

    private final SymmetricCrypto sm4;

    public SM4PasswordEncoder(String key) 
        SymmetricCrypto crypto = SmUtil.sm4(key.getBytes());
        this.sm4 = crypto;
    

    @Override
    public String encode(CharSequence rawPassword) 
        return sm4.encryptHex(rawPassword.toString());
    

    @Override
    public boolean matches(CharSequence rawPassword, String encodedPassword) 
        return sm4.encryptHex(rawPassword.toString()).equals(encodedPassword);
    

matches方法即会在登录时调用此方法比较。

配置文件定义

因为我们需要自定义一个加密的秘钥，在实际项目中我们根据实际情况灵活配置，所以我们定义一个配置文件 application-sm4.yml

te
  system:
     sm4-key: z^cnmuop2372a375

注意： key的秘钥位数需要是 16因为   128位/8 = 16

properties类

@Data
@Component
@ConfigurationProperties(prefix = "te.system")
public class SystemEnvProperties 

   
    @NotNull
    @ApiModelProperty(notes = "sm4加密秘钥-需要16byte")
    private String sm4Key;

  

注册为Bean

   /**
     * 密码明文加密方式配置（使用国密SM4）
     * @return
     */
    @Bean
    public PasswordEncoder passwordEncoder(SystemEnvProperties envProperties) 
        return new SM4PasswordEncoder(envProperties.getSm4Key());
    

密码加密

在创建用户及修改密码时候，调用加密方法

  @Autowired
    private PasswordEncoder passwordEncoder;

userInfo.setPassword(passwordEncoder.encode(vo.getPassword()));

至此，集成完成