在了解SM3算法之前，我們有必要了解一下單向散列函數(shù)。

1. 單向散列函數(shù)

單向散列函數(shù) （one-way hash function）有很多名字：壓縮函數(shù)、收縮函數(shù)、消息摘要、指紋、密碼校驗和、信息完整性檢驗（Message Integrity Check，MIC）、操作檢驗碼（Manipulation Detection Code，MDC）。不管你怎么叫，它都是現(xiàn)代密碼學(xué)的中心。單向散列函數(shù)是許多協(xié)議的另一個結(jié)構(gòu)模塊。

散列函數(shù)長期以來一直在計算機(jī)科學(xué)中使用，無論從數(shù)學(xué)或其他角度看，散列函數(shù)就是把可變長度輸入串（叫做預(yù)映射 ，pre-image）轉(zhuǎn)換成固定長度（經(jīng)常更短）輸出串（叫做散列值 ，hash value）的一種函數(shù)。簡單的散列函數(shù)就是對預(yù)映射的處理，并且返回由所有輸入字節(jié)異或組成的字節(jié)。

這里的關(guān)鍵就是采集預(yù)映射的指紋：產(chǎn)生一個值，這個值能夠指出候選預(yù)映射與真實的預(yù)映射是否有相同的值。因為散列函數(shù)是典型的多到一的函數(shù)，所以不能用它來確定兩個串一定相同，但可用它來得到準(zhǔn)確性的合理保證。

單向散列函數(shù)是在一個方向上運算的散列函數(shù)，從預(yù)映射的值很容易計算其散列值，但要使其散列值等于一個特殊值卻很難。前面提到的散列函數(shù)不是單向函數(shù)：已知一個特殊的字節(jié)值，要產(chǎn)生一個字節(jié)串使它的異或結(jié)果等于那個值是很容易的事情。用單向散列函數(shù)你不可能那樣做。好的散列函數(shù)也是無沖突的 （collision-free）：難于產(chǎn)生兩個預(yù)映射的值，使它們的散列值相同。

散列函數(shù)是公開的，對處理過程不用保密。單向散列函數(shù)的安全性是它的單向性。其輸出不依賴于輸入。平均而言，預(yù)映射值單個位的改變，將引起散列值中一半位的改變。已知一個散列值，要找到預(yù)映射的值，使它的散列值等于已知的散列值在計算上是不可行的。

可把單向散列函數(shù)看做是構(gòu)成指紋文件的一種方法。如果你想驗證某人持有特定的文件（你同時也持有該文件），但你不想讓他將文件傳給你，那么就要求他將該文件的單向散列值傳送給你。如果他傳送的散列值是正確的，那么幾乎可以肯定地說他持有那份文件。這在金融交易中非常有用，你不希望在網(wǎng)絡(luò)某個地方把提取100美元變成提取1000美元。一般情況下，應(yīng)使用不帶密鑰的單向散列函數(shù)，以便任何人都能驗證散列值。

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2.?什么是SM3算法

SM3算法是由我國著名的密碼學(xué)家王小云和國內(nèi)其他專家共同設(shè)計的哈希算法，它只能用于加密而不能解密，是一種簡單的單向算法。SM3密碼雜湊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(biāo)準(zhǔn)，具體算法標(biāo)準(zhǔn)原始文本參見參考文獻(xiàn)[1]。該算法于2012年發(fā)布為密碼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(GM/T 0004-2012)，2016年發(fā)布為國家密碼雜湊算法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 32905-2016)。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于金融、交通、國家電網(wǎng)等重要經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。

SM3適用于商用密碼應(yīng)用中的數(shù)字簽名和驗證，是在SHA-256基礎(chǔ)上改進(jìn)實現(xiàn)的一種算法，其，設(shè)計較為復(fù)雜，安全性較高。SM3和MD5的迭代過程類似，也采用Merkle-Damgard結(jié)構(gòu)。SM3算法首先將輸入數(shù)據(jù)按照512位的大小分成若干組，最后一組不足512位時按規(guī)則填充至512位。經(jīng)過多輪迭代壓縮后，輸出長度為256位的摘要值。

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3. SM3算法的特性

• 輸入數(shù)據(jù)可以是文本、數(shù)字、字符、視頻等信息；
• 允許輸入較大長度數(shù)據(jù)，輸出長度數(shù)據(jù)256位，具有壓縮性；
• 輸入數(shù)據(jù)即使變化1位，輸出數(shù)據(jù)也將發(fā)生巨大變化，計算結(jié)果具有唯一性；
• 不能從輸出數(shù)據(jù)中反向推到原文數(shù)據(jù)，具有單向性/不可逆性。

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4. SM3算法的用途

• 數(shù)字證書
• 數(shù)字簽名
• 生成偽隨機(jī)數(shù)
• 鑒權(quán)協(xié)議
• 加密口令
• 一次性口令生成
• 生成數(shù)據(jù)指紋
• 區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用

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5.SM3算法栗子

目前，bc庫已經(jīng)提供了較多算法類型的摘要軟算法實現(xiàn)，這里舉個SM3摘要運算的栗子：

@Testpublic void sm3DigestTest(){try {String algorithm = "SM3";String message = "hello";Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance(algorithm, BouncyCastleProvider.PROVIDER_NAME);byte[] bytes = digest.digest(message.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));System.out.println(Base64.toBase64String(bytes));} catch (NoSuchAlgorithmException | NoSuchProviderException e) {e.printStackTrace();}}

輸出：

vsu/quZUi4vwz8rVonGDzRvmCTsczszDA9nGHQpkUmg=

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6. SM3算法原理

SM3密碼雜湊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(biāo)準(zhǔn)。具體算法標(biāo)準(zhǔn)原始文本參見參考文獻(xiàn)[1]。該算法于2012年發(fā)布為密碼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(GM/T 0004-2012)，2016年發(fā)布為國家密碼雜湊算法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 32905-2016)。

SM3適用于商用密碼應(yīng)用中的數(shù)字簽名和驗證，是在SHA-256基礎(chǔ)上改進(jìn)實現(xiàn)的一種算法，其，設(shè)計較為復(fù)雜，安全性較高。

SM3和MD5的迭代過程類似，也采用Merkle-Damgard結(jié)構(gòu)。SM3算法首先將輸入數(shù)據(jù)按照512位的大小分成若干組，最后一組不足512位時按規(guī)則填充至512位。經(jīng)過多輪迭代壓縮后，輸出長度為256位的摘要值。

SM3算法的執(zhí)行過程可以概括成四個步驟：消息填充、消息擴(kuò)展、迭代壓縮、輸出結(jié)果。

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6.1?填充

SM3算法首先將輸入數(shù)據(jù)按照512位(64字節(jié)長度)的大小分成若干組，最后一組不足512位時按規(guī)則填充至512位。經(jīng)過多輪迭代壓縮后，輸出長度為256位(32字節(jié))的數(shù)值。

填充處理方式：

假設(shè)消息的長度為比特。首先將比特“1”添加到消息的末尾，再添加個“0”，是滿足 + 1 + ≡ 448? 512 的最小的非負(fù)整數(shù)。然后再添加一個64位比特串，該比特串是長度l的二進(jìn)制表示。填充后的消息的比特長度為512的倍數(shù)。

例如：對于消息01100001 01100010 01100011，其長度l=24，填充操作流程如下：

• 在消息的尾部添加一位“1”

01100001 01100010 01100011 1

• 根據(jù)規(guī)范定義再添加個“0”，是滿足 + 1 + ≡ 448? 512 的最小的非負(fù)整數(shù)。

可以知道，我們需要再繼續(xù)在低位添加448 - 1- 24 = 423位?的?數(shù)字0

• 此時，填充數(shù)據(jù)是不滿足512位倍數(shù)的，需要再添加一個64位比特串，該比特串是長度l的二進(jìn)制表示。填充后的消息的比特長度為512的倍數(shù)。

?輸入的消息m “01100001 01100010 01100011”，數(shù)據(jù)長度?= 24，轉(zhuǎn)為二進(jìn)制表示為011000，然后對其高位補(bǔ)0操作

• 經(jīng)填充得到比特串：

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6.2?消息擴(kuò)展

SM3的迭代壓縮步驟沒有直接使用數(shù)據(jù)分組進(jìn)行運算，而是使用這個步驟產(chǎn)生的132個消息字。（一個消息字的長度為32位/4個字節(jié)/8個16j進(jìn)制數(shù)字）概括來說，先將一個512位數(shù)據(jù)分組劃分為16個消息字，并且作為生成的132個消息字的前16個。再用這16個消息字遞推生成剩余的116個消息字。

在最終得到的132個消息字中，前68個消息字構(gòu)成數(shù)列 {W j {W_j}Wj?}，后64個消息字構(gòu)成數(shù)列 {W j ‘ {W_j^`}Wj‘?}，其中下標(biāo)j從0開始計數(shù)。

詳細(xì)計算步驟可以看一下標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的定義：

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6.3?迭代壓縮

在上文已經(jīng)提過，SM3的迭代過程和MD5類似，也是Merkle-Damgard結(jié)構(gòu)。但和MD5不同的是，SM3使用消息擴(kuò)展得到的消息字進(jìn)行運算。這個迭代過程可以用這幅圖表示：

初值IV被放在A、B、C、D、E、F、G、H八個32位變量中，其具體數(shù)值參見參考文獻(xiàn)[1]。整個算法中最核心、也最復(fù)雜的地方就在于壓縮函數(shù)。壓縮函數(shù)將這八個變量進(jìn)行64輪相同的計算，一輪的計算過程如下圖所示：

圖中不同的數(shù)據(jù)流向用不同顏色的箭頭表示。

最后，再將計算完成的A、B、C、D、E、F、G、H和原來的A、B、C、D、E、F、G、H分別進(jìn)行異或，就是壓縮函數(shù)的輸出。這個輸出再作為下一次調(diào)用壓縮函數(shù)時的初值。依次類推，直到用完最后一組132個消息字為止。

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6.4?輸出結(jié)果

將得到的A、B、C、D、E、F、G、H八個變量拼接輸出，就是SM3算法的輸出。

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• （大端big-endian）數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的一種表示格式，規(guī)定左邊為高有效位，右邊為低有效位。數(shù)的高階字節(jié)放在存儲。

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參考：

• 《SM3密碼雜湊算法》
• SM3密碼雜湊算法原理簡述

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的国密SM3杂凑算法的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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