hi，大家好，我是開發(fā)者FTD。今天我們來介紹一下我們國家密碼局制定的加密算法 — 國密算法。

為什么要制定國密算法？

密碼算法是保障信息安全的核心技術(shù)，尤其是我國最關(guān)鍵的銀行業(yè)核心領(lǐng)域長期以來都是沿用MD5、3DES、SHA-256、RSA等這些國際通用的密碼算法體系及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

隨著金融安全上升到國家安全高度，近年來國家有關(guān)機(jī)關(guān)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)站在國家安全和長遠(yuǎn)戰(zhàn)略的高度提出了推動(dòng)國密算法應(yīng)用實(shí)施、加強(qiáng)行業(yè)安全可控的要求。擺脫對國外技術(shù)和產(chǎn)品的過度依賴，建設(shè)行業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全環(huán)境，增強(qiáng)我國行業(yè)信息系統(tǒng)的“安全可控”能力顯得尤為必要和迫切。

2010年底，國家密碼管理局公布了我國自主研制的“橢圓曲線公鑰密碼算法”（SM2算法）。為保障重要經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)密碼應(yīng)用安全，國家密碼管理局于2011年發(fā)布了《關(guān)于做好公鑰密碼算法升級工作的通知》，要求“自2011年3月1日起，在建和擬建公鑰密碼基礎(chǔ)設(shè)施電子認(rèn)證系統(tǒng)和密鑰管理系統(tǒng)應(yīng)使用SM2算法。自2011年7月1日起，投入運(yùn)行并使用公鑰密碼的信息系統(tǒng)，應(yīng)使用SM2算法。”

國密算法簡介

國產(chǎn)密碼算法（國密算法）是指國家密碼局認(rèn)定的國產(chǎn)商用密碼算法，主要有SM1，SM2，SM3，SM4，密鑰長度和分組長度均為128位。在金融領(lǐng)域目前主要使用公開的SM2、SM3、SM4三類算法，分別是非對稱加密算法、哈希算法和對稱加密算法。

SM1 算法

SM1 為對稱加密算法，其加密強(qiáng)度與AES相當(dāng)。該算法不公開，調(diào)用該算法時(shí)，需要通過加密芯片的接口進(jìn)行調(diào)用。
采用該算法已經(jīng)研制了系列芯片、智能IC卡、智能密碼鑰匙、加密卡、加密機(jī)等安全產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于電子政務(wù)、電子商務(wù)及國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域（包括國家政務(wù)通、警務(wù)通等重要領(lǐng)域）。

SM2 算法

SM2 為非對稱加密，基于ECC。該算法已公開。由于該算法基于ECC，故其簽名速度與秘鑰生成速度都快于RSA。ECC 256位（SM2采用的就是ECC 256位的一種）安全強(qiáng)度比RSA 2048位高，但運(yùn)算速度快于RSA。

SM2橢圓曲線公鑰密碼算法是我國自主設(shè)計(jì)的公鑰密碼算法，包括SM2-1橢圓曲線數(shù)字簽名算法，SM2-2橢圓曲線密鑰交換協(xié)議，SM2-3橢圓曲線公鑰加密算法，分別用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字簽名密鑰協(xié)商和數(shù)據(jù)加密等功能。SM2算法與RSA算法不同的是，SM2算法是基于橢圓曲線上點(diǎn)群離散對數(shù)難題，相對于RSA算法，256位的SM2密碼強(qiáng)度已經(jīng)比2048位的RSA密碼強(qiáng)度要高。

SM3 算法

SM3雜湊算法是我國自主設(shè)計(jì)的密碼雜湊算法，適用于商用密碼應(yīng)用中的數(shù)字簽名和驗(yàn)證消息認(rèn)證碼的生成與驗(yàn)證以及隨機(jī)數(shù)的生成，可滿足多種密碼應(yīng)用的安全需求。為了保證雜湊算法的安全性，其產(chǎn)生的雜湊值的長度不應(yīng)太短，例如MD5輸出128比特雜湊值，輸出長度太短，影響其安全性。SHA-1算法的輸出長度為160比特，SM3算法的輸出長度為256比特，因此SM3算法的安全性要高于MD5算法和SHA-1算法。

SM4 算法

SM4 無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的分組數(shù)據(jù)算法。

SM4分組密碼算法是我國自主設(shè)計(jì)的分組對稱密碼算法，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的加密/解密運(yùn)算，以保證數(shù)據(jù)和信息的機(jī)密性。要保證一個(gè)對稱密碼算法的安全性的基本條件是其具備足夠的密鑰長度，SM4算法與AES算法具有相同的密鑰長度分組長度128比特，因此在安全性上高于3DES算法。

由于SM1、SM4加解密的分組大小為128bit，故對消息進(jìn)行加解密時(shí)，若消息長度過長，需要進(jìn)行分組，要消息長度不足，則要進(jìn)行填充。

國際算法和國密算法的區(qū)別

分組密碼算法——國際DES，國產(chǎn)SM4

分組密碼就是將明文數(shù)據(jù)按固定長度進(jìn)行分組，然后在同一密鑰控制下逐組進(jìn)行加密，從而將各個(gè)明文分組變換成一個(gè)等長的密文分組的密碼。其中二進(jìn)制明文分組的長度稱為該分組密碼的分組規(guī)模。

分組密碼的實(shí)現(xiàn)原則如下：

實(shí)現(xiàn)起來必須比較簡單，加密和解密都十分容易，適合硬件和(或)軟件實(shí)現(xiàn)。

加脫密速度和所消耗的資源和成本較低，能滿足具體應(yīng)用范圍的需要。

分組密碼的設(shè)計(jì)基本遵循混淆原則和擴(kuò)散原則。

混淆原則就是將密文、明文、密鑰三者之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系和代數(shù)關(guān)系變得盡可能復(fù)雜，使得破解人即使獲得了密文和明文，也無法求出密鑰的任何信息；即使獲得了密文和明文的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，也無法求出明文的任何信息。

擴(kuò)散原則就是應(yīng)將明文的統(tǒng)計(jì)規(guī)律和結(jié)構(gòu)規(guī)律散射到相當(dāng)長的一段統(tǒng)計(jì)中去。也就是說讓明文中的每一位影響密文中的盡可能多的位，或者說讓密文中的每一位都受到明文中的盡可能多位的影響。

• DES 算法

DES算法是在美國NSA(國家安全局)資助下由IBM公司開發(fā)的密碼算法，其初衷是為政府非機(jī)密的敏感信息提供較強(qiáng)的加密保護(hù)。它是美國政府擔(dān)保的第一種加密算法，并在1977年被正式作為美國聯(lián)邦信息處理標(biāo)準(zhǔn)。DES主要提供非軍事性質(zhì)的聯(lián)邦政府機(jī)構(gòu)和私營部門使用，并迅速成為名聲最大，使用最廣的商用密碼算法。

• SM4 算法

2006年我國公布了無限局域網(wǎng)產(chǎn)品使用的SM4密碼算法。這是我國第一次公布自己的商用密碼算法。

國際的DES算法和國產(chǎn)的SM4算法的目的都是為了加密保護(hù)靜態(tài)儲(chǔ)存和傳輸信道中的數(shù)據(jù)，主要特性如下：

DES 算法SM4 算法

計(jì)算基礎(chǔ)	二進(jìn)制	二進(jìn)制
算法結(jié)構(gòu)	使用標(biāo)準(zhǔn)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算，先替代后置換，不含非線性變換	基本輪函數(shù)加迭代，含非線性變換
加解密算法是否相同	是	是
計(jì)算輪數(shù)	16輪（3DES 為 16輪 * 3）	32輪
分組長度	64位	128位
密鑰長度	64位（3DES 為128位）	128位
有效密鑰長度	56位（3DES 為112位）	128位
實(shí)現(xiàn)難度	易于實(shí)現(xiàn)	易于實(shí)現(xiàn)
實(shí)現(xiàn)性能	軟件實(shí)現(xiàn)滿，硬件實(shí)現(xiàn)快	軟件實(shí)現(xiàn)和硬件實(shí)現(xiàn)都快
安全性	較低（3DES 較高）	算法較新，還未經(jīng)過現(xiàn)實(shí)檢驗(yàn)

從算法上看，國產(chǎn)SM4算法在計(jì)算過程中增加非線性變換，理論上能大大提高其算法的安全性，并且由專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了密碼分析，民間也對21輪SM4進(jìn)行了差分密碼分析，結(jié)論均為安全性較高。

公鑰密碼算法——國際RSA，國產(chǎn)SM2

公鑰密碼學(xué)與其他密碼學(xué)完全不同，使用這種方法的加密系統(tǒng)，不僅公開加密算法本身，也公開了加密用的密鑰。

公鑰密碼系統(tǒng)與只使用一個(gè)密鑰的對稱傳統(tǒng)密碼不同，算法是基于數(shù)學(xué)函數(shù)而不是基于替換和置換。公鑰密碼學(xué)是非對稱的，它使用兩個(gè)獨(dú)立的密鑰，即密鑰分為公鑰和私鑰，因此稱雙密鑰體制。雙鑰體制的公鑰可以公開，因此稱為公鑰算法。

公鑰算法的出現(xiàn)，給密碼的發(fā)展開辟了新的方向。公鑰算法雖然已經(jīng)歷了20多年的發(fā)展，但仍具有強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭，在鑒別系統(tǒng)和密鑰交換等安全技術(shù)領(lǐng)域起著關(guān)鍵的作用。

公鑰算法的加密與解密由不同的密鑰完成，并且從加密密鑰得到解密密鑰在計(jì)算上是不可行的。通常，公鑰算法的兩個(gè)密鑰中任何一個(gè)都可以作為加密而另一個(gè)用作解密，但不是所有的公鑰算法都是如此。

• RSA 算法

RSA算法由Rivest、Shamir、Adleman于1978年首次發(fā)表，是迄今為止最容易理解和實(shí)現(xiàn)的公鑰算法，已經(jīng)受住了多年深入的攻擊，其理論基礎(chǔ)是一種特殊的可逆模冪運(yùn)算，其安全性基于分解大整數(shù)的困難性。

RSA算法既可用于加密，又可用于數(shù)字簽名，已得到廣泛采用，并被許多標(biāo)準(zhǔn)化組織(如ISO、ITU、IETF和SWIFT等)接納。目前許多國家標(biāo)準(zhǔn)仍采用RSA算法或它的變型。

• SM2 算法

SM2算法由國家密碼管理局于2010年12月17日發(fā)布，全稱為橢圓曲線算法。 橢圓曲線并不是橢圓，之所以稱為橢圓曲線是因?yàn)樗鼈兪怯萌畏匠虂肀硎镜?#xff0c;并且該方程與計(jì)算橢圓周長的方程相似。

現(xiàn)今對橢圓曲線研究的時(shí)間短，經(jīng)過許多優(yōu)秀的數(shù)學(xué)家的努力，至今一直沒有找到亞指數(shù)級算法。正是由于目前所知求解ECDLP的最好方法是指數(shù)級的，這使得我們選用SM2算法作加解密及數(shù)字簽名時(shí)，所要求的密鑰長度比RSA要短得多。

國際的RSA算法和國產(chǎn)的SM2算法的主要特性對比如下：

RSA 算法SM2 算法

計(jì)算結(jié)構(gòu)	基于特殊的可逆模冪運(yùn)算	基于橢圓曲線
計(jì)算復(fù)雜度	亞指數(shù)級	完全指數(shù)級
相同的安全性能下所需公鑰位數(shù)	較多	較少，160位的SM2與1024位的RSA具有相同的安全等級
密鑰生成速度	慢	較RSA算法快百倍以上
加解密速度	一般	較快
安全性難度	基于分解大整數(shù)的難度	基于離散對數(shù)問題，ECDLP數(shù)學(xué)難題

摘要算法——國際MD5、SHA256，國產(chǎn)SM3

摘要函數(shù)在密碼學(xué)中具有重要的地位，被廣泛應(yīng)用在數(shù)字簽名，消息認(rèn)證，數(shù)據(jù)完整性檢測等領(lǐng)域。摘要函數(shù)通常被認(rèn)為需要滿足三個(gè)基本特性：碰撞穩(wěn)固性，原根穩(wěn)固性和第二原根穩(wěn)固性。

2005年,Wang等人給出了MD5算法和SHA-1算法的碰撞攻擊方法，現(xiàn)今被廣泛應(yīng)用的MD5算法和SHA-1算法不再是安全的算法。

SM3密碼摘要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)。SM3算法適用于商用密碼應(yīng)用中的數(shù)字簽名和驗(yàn)證，是在SHA-256基礎(chǔ)上改進(jìn)實(shí)現(xiàn)的一種算法。SM3算法采用Merkle-Damgard結(jié)構(gòu)，消息分組長度為512位，摘要值長度為256位。

SM3算法的壓縮函數(shù)與SHA-256的壓縮函數(shù)具有相似的結(jié)構(gòu)，但是SM3算法的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，比如壓縮函數(shù)的每一輪都使用2個(gè)消息字。

現(xiàn)今為止，SM3算法的安全性相對較高。

國密算法的應(yīng)用

商用密碼的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，主要用于對不涉及國家秘密內(nèi)容但又具有敏感性的內(nèi)部信息、行政事務(wù)信息、經(jīng)濟(jì)信息等進(jìn)行加密保護(hù)。比如：商用密碼可用于企業(yè)門禁管理、企業(yè)內(nèi)部的各類敏感信息的傳輸加密、存儲(chǔ)加密，防止非法第三方獲取信息內(nèi)容；也可用于各種安全認(rèn)證、網(wǎng)上銀行、數(shù)字簽名等。

例如：在門禁應(yīng)用中，采用SM1算法進(jìn)行身份鑒別和數(shù)據(jù)加密通訊，實(shí)現(xiàn)卡片合法性的驗(yàn)證，保證身份識別的真實(shí)性。 安全是關(guān)系國家、城市信息、行業(yè)用戶、百姓利益的關(guān)鍵問題。國家密碼管理局針對現(xiàn)有重要門禁系統(tǒng)建設(shè)和升級改造應(yīng)用也提出指導(dǎo)意見，加強(qiáng)芯片、卡片、系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。截止目前，國密門禁系統(tǒng)的升級的案例也逐漸增多，基于自主國產(chǎn)知識產(chǎn)權(quán)的CPU卡、CPU卡讀寫設(shè)備及密鑰管理系統(tǒng)廣泛受到關(guān)注。一些廠商如同方銳安在2009年推出CPU卡安全門禁系列產(chǎn)品，在2010年北京安博會(huì)上，該公司再次向業(yè)界展示出“御”系列CPU卡門禁系統(tǒng)、TF-DF6000系列安全門禁讀卡器以及基于CPU卡技術(shù)的一卡通系統(tǒng)等主流產(chǎn)品和系統(tǒng)。這些廠商是全國推廣的國密門禁產(chǎn)品的先驅(qū)者，使“御”系列CPU卡門禁系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于政府、監(jiān)獄、司法、軍工企業(yè)和大型公共智能建筑等高安全領(lǐng)域。

總結(jié)

由于國密算法是國家密碼局欽定的加密算法，目前已經(jīng)逐漸在金融行業(yè)開始廣泛使用了，相信在以后的應(yīng)用中，我們會(huì)越來越經(jīng)常的看到國密算法的身影。大家在以后的學(xué)習(xí)工作中也需要對國密算法有一定的了解，才能在需要用到的時(shí)候能快速的掌握它。

參考

1，國密算法概述

2，關(guān)于國密算法 SM1，SM2，SM3，SM4 的筆記

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總結(jié)

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