即时通讯安全篇（十三）：信创必学，一文读懂什么是国密算法

本文由NetworkFox分享，来源于华三通信，原题“什么是国密算法？”，本文有修订和改动。

1、引言

最近几年经常能听到IM应用的开发者讨论国产信创方面的技术问题，在某些场景下，国密算法是硬性要求，所以学习一下国密算法还是很有必要的。国密算法是指由中国国家密码管理局发布的密码算法标准，旨在保障国家信息安全。目前，国家密码管理局已发布了一系列国产商用密码标准算法，包括SM1（SCB2）、SM2、SM3、SM4、SM7、SM9以及祖冲之密码算法（ZUC)等。通过在金融、电子政务及安防等领域广泛应用国密算法，在对敏感数据进行机密性、完整性和可用性保护的同时，减少对外部密码产品的依赖，提升国家信息安全水平。本文将尽量以通俗易懂的文字，为你分享国密算法的种类、技术原理和应用场景等。

  
技术交流：

• 移动端IM开发入门文章：《新手入门一篇就够：从零开发移动端IM》
• 开源IM框架源码：https://github.com/JackJiang2011/MobileIMSDK（备用地址点此）
  （本文已同步发布于：http://www.52im.net/thread-4552-1-1.html）

2、系列文章

本文是IM通讯安全知识系列文章中的第12篇，此系列总目录如下：
《即时通讯安全篇（一）：正确地理解和使用Android端加密算法》
《即时通讯安全篇（二）：探讨组合加密算法在IM中的应用》
《即时通讯安全篇（三）：常用加解密算法与通讯安全讲解》
《即时通讯安全篇（四）：实例分析Android中密钥硬编码的风险》
《即时通讯安全篇（五）：对称加密技术在Android平台上的应用实践》
《即时通讯安全篇（六）：非对称加密技术的原理与应用实践》
《即时通讯安全篇（七）：用JWT技术解决IM系统Socket长连接的身份认证痛点》
《即时通讯安全篇（八）：如果这样来理解HTTPS原理，一篇就够了》
《即时通讯安全篇（九）：你知道，HTTPS用的是对称加密还是非对称加密？》
《即时通讯安全篇（十）：为什么要用HTTPS？深入浅出，探密短连接的安全性》
《即时通讯安全篇（十一）：IM聊天系统安全手段之通信连接层加密技术》
《即时通讯安全篇（十二）：IM聊天系统安全手段之传输内容端到端加密技术》
《即时通讯安全篇（十三）：信创必学，一文读懂什么是国密算法》（* 本文）

3、为什么需要国密算法？

3.1国密算法的产生背景

在网络信息传输和存储过程中，数据的保密性和安全性是一项重要的需求。传统的国际标准加密算法虽然安全可靠，但由于无法保证源代码的安全性，因此存在着源代码被外部恶意攻击者渗透或篡改的风险。为了构建安全的行业网络环境并增强国家行业信息系统的“安全可控”能力，中国积极开展了针对信息安全需求的研究和探索。自2007年开始，中国制定了国密算法标准，并于2010年正式发布。经过多年的发展、改进和完善，国密算法已成为中国自主研发的密码算法标准，并在各行业得到广泛应用。它的诞生不仅显著提升了中国在密码技术领域的核心竞争力，还为国家信息安全建设作出了重要贡献。

3.2国密算法的特点

国密算法具备如下特点：
1）安全性高：国密算法采用了严密的密码学原理和复杂的运算方式，具有较高的安全性。它在加密、数字签名和哈希等功能上都能提供可靠的保护，抵抗了各种传统和现代密码攻击手段。
2）高效性与灵活性：国密算法在保证安全性的同时，注重算法的效率。它的加密速度和运行效率相对较高，同时也能适应不同的密码长度和密钥长度，以满足不同场景的需求。
3）标准化广泛：国密算法已被国家标准化机构认可和采用。它符合国际密码学标准的基本要求，具备与国际算法相媲美的能力。同时，国密算法也在国内推广和应用广泛，成为中国信息安全领域的基础核心算法之一。
4）自主创新：国密算法是中国自主研发的密码算法，所以对于算法的实现和推广都具有独立的掌控能力。这意味着中国可以更好地保护自己的国家信息安全，减少对外依赖，提高自主抵抗能力。
5）面向多领域应用：国密算法不仅局限于某个特定领域的应用，它适用于金融业、电子商务、通信、物联网、区块链等不同领域的信息安全保护。它的广泛应用范围使得国密算法可以满足不同行业的安全需求。

4、国密算法应用概述

国密算法包括SM1（SCB2）、SM2、SM3、SM4、SM7、SM9以及祖冲之密码算法（ZUC)等。
其中：
1）SM1、SM4、SM7、祖冲之密码（ZUC）属于对称算法；
2）SM2、SM9属于非对称算法；
3）SM3属于杂凑算法。
下文将主要介绍国密算法中的常用算法SM1、SM2、SM3和SM4的实现和应用。

5、SM1算法的原理和应用场景

SM1算法是国密算法中的一种对称加密算法，其特点是加解密使用相同密钥。利用SM1对称加密算法加解密数据的过程。
SM1算法未公开，仅以IP核（Intellectual Property Core，一种预先做好的集成电路功能模块）的形式存在于芯片中。
SM1算法主要用于小数据量的加密保护，因此被广泛用于研制智能IC卡、智能密码钥匙、门禁卡、加密卡等安全产品。

6、SM2算法的实现和应用场景

6.1概述

SM2算法是基于ECC（Elliptic Curve Cryptography）椭圆曲线的非对称加密算法，包括了SM2-1椭圆曲线数字签名算法、SM2-2椭圆曲线密钥交换协议和SM2-3椭圆曲线公钥加密算法，分别用于实现数字签名、密钥协商和数据加密等功能。SM2算法在许多领域都有广泛的应用。在电子商务领域：SM2算法被用于保护用户个人信息的安全传输，确保用户在网上交易过程中的隐私和财产的安全。在互联网金融领域：SM2算法被用于数字支付、电子银行等场景，实现用户身份认证和交易的安全性。此外，SM2算法还适用于物联网领域，保护物联网设备之间的通信安全，确保数据的可靠传输。

6.2数据加密

在非对称加密算法中，可对外公布的密钥称为“公钥”，只有持有者所知的密钥称为“私钥”。发送者使用接收者的公钥来加密消息，接收者用自己的私钥解密和读取该消息。利用SM2非对称加密算法加解密数据的过程：

6.3密钥协商

由于椭圆曲线的计算复杂性高，破解难度大，因此SM2算法在密钥协商技术领域也起着关键作用。
利用SM2算法进行密钥协商的过程：
1）会话双方生成自己的私钥（随机数）；
2）会话双方由私钥、ECC椭圆曲线参数G各自计算出公钥；
3）会话双方将自己的公钥传递给对方，传递过程公开。由于椭圆曲线的计算复杂性高，破解难度大，因此攻击者难以通过公钥和椭圆曲线参数G反推出私钥；
4） 双方将自己的私钥与对方的公钥进行运算，最终得到相同的会话密钥，该会话密钥可作为共享密钥用于对称加密（例如SM4算法）通信。

6.4数字签名

数字签名是一种用于验证信息完整性、真实性和来源的技术手段。它通常用于确保数据在传输或存储过程中没有被篡改，并且可以追溯到特定的发送方。发送方使用自己的私钥对消息进行加密，生成数字签名。接收方使用发送方的公钥对签名进行解密和验证，以验证消息的完整性和真实性。在数字签名应用中，SM2算法通常与SM3摘要算法一起使用。

7、SM3算法的实现和应用场景

SM3杂凑（Hashing）算法是国密算法中的一种摘要算法。SM3算法通过哈希函数将任意长度的消息压缩成固定长度的摘要。摘要具有唯一性，即不同信息生成的摘要不同，且无法由摘要恢复出原始信息，更无法伪造信息获得相同摘要，因此SM3算法被广泛用于实现数字签名、数据完整性检测及消息验证等功能。基于SM3算法的特点，在信息安全领域，SM3算法被用于保护密码学协议、数字证书和电子签名等数据的完整性。在区块链领域，SM3算法被用于加密货币的区块生成和链上交易的校验，确保区块链的安全性。此外，SM3算法还可以应用于密码学随机数的生成和伪随机序列的校验等领域，增加了数据的安全性和可靠性。
利用SM2算法和SM3算法对用户数据进行数字签名认证及完整性校验的过程：
1） 用户A发送的数据A经过SM3哈希算法运算生成摘要A。
2） 摘要A经过用户A的私钥加密生成数字签名。
3） 用户A的明文数据和数字签名经加密算法（SM1/SM2/SM4）加密成密文后发送给用户B。加密算法以非对称加密算法SM2为例，即加解密使用不同密钥。
4）密文到达用户B处，经加密算法（SM1/SM2/SM4）解密后，还原成明文数据和数字签名。
5）用户B使用用户A的公钥解密数据包中的数字签名：     
解密成功，数据来源合法，得到摘要A；     
解密失败，数据来源非用户A，丢弃本次数据。
6）收到的数据包中的明文数据经过SM3哈希运算生成摘要A’。对比摘要A和摘要A’：     
摘要A’＝摘要A，数据完整；     
摘要A’≠摘要A，数据被篡改，丢弃本次数据。

8、SM4算法的实现和应用

8.1概述

与SM1算法分类相同，SM4算法同样为分组对称加密算法，但SM4算法实现公开。分组加密算法是将明文数据按固定长度进行分组，用同一密钥逐组加密，密文解密时同样使用相同密钥逐组解密。SM4算法实现简单，因此加解密速度较快，消耗资源少，主要用于大数据量的加密和解密，例如静态储存或数据信号传输通道中数据的加解密。在网络安全领域，SM4算法被用于保护网络传输和存储的敏感数据，如银行卡信息、密码等。在物联网领域，SM4算法被用于物联网设备之间的通信和数据加密，确保物联网数据的隐私安全。此外，SM4算法还可以应用于区块链领域，保护加密货币的交易安全等领域，为相关系统和数据的安全提供了保障。SM4算法支持ECB、CBC、CFB等多种分组模式，下文将介绍ECB和CBC两种基础模式。

8.2加解密模式：ECB模式SM4算法

基于ECB模式对数据加解密的过程：
1）发送端将明文按固定长度分组，对每个明文分组分别使用相同的密钥进行加密生成密文分组。完整的密文由所有密文分组按序排列组合而成；
2）接收端将密文按固定长度分组，对每个密文分组分别使用相同的密钥进行解密生成明文分组。所有明文分组按序排列组合而成完整的明文数据。ECB模式实现简单，各段数据间互不影响，有利于并行运算，但相同的明文块会被加密成相同的密文块，不能提供严格的数据保密性。

8.3加解密模式：CBC模式

SM4算法基于CBC模式对明文加密的过程：
1）将明文按固定长度分组；
2）明文分组1与初始向量IV进行异或运算，异或运算的结果经密钥加密后得到密文分组1；
3）剩余的明文分组依次与前一个密文分组进行异或运算后再加密，得到对应的密文分组；
4）完整的密文由所有密文分组按序排列组合而成。

SM4算法基于CBC模式对密文解密的过程：
1）将密文按固定长度分组后，对密文分组进行倒序处理；
2）对密文分组n先使用密钥进行解密，密文分组n解密后的数据与密文分组n-1进行逻辑逆运算，得到明文分组n；
3） 同理，剩余的密文分组解密后再与前一个密文分组进行逻辑逆运算，得到对应的明文分组；
4）最后，密文分组1用密钥解密后的数据是与初始向量进行逻辑逆运算，然后得到明文分组1；
5）完整的明文由所有明文分组按序排列组合而成。CBC模式安全性高于ECB，但明文块不能并行计算，且误差会传递下去。

9、国密算法与国际标准算法的对比

国密算法和国际标准算法都是现代密码学中常用的加密算法，但在技术和优劣方面存在一些区别。常见国密算法与国际标准算法各参数性能的对比如下：

10、国密算法的典型应用场景有哪些？

10.1AD-WAN纵向IP/MPLS组网

国密算法可以与AD-WAN技术结合，应用于IP/MPLS纵向网场景。通过AD-WAN智能运维平台，实现国密配置一键下发，在网络中构建国密数据加密通道，实现基于国密的端到端的IPsec隧道保护。

国密算法在端到端的IPsec隧道中的工作原理如下：
1）在IKE密钥协商阶段，使用IKE协议进行密钥协商过程中，采用SM2算法生成会话密钥。
2）在身份认证阶段，本端使用SM2和SM3算法生成身份信息的数字签名，并使用SM1或SM4算法和会话密钥对身份信息和数字签名进行加密；对端收到加密的身份信息后，使用相同的会话密钥解密，然后通过SM2和SM3算法进行身份认证。
3）在数据传输阶段，本端使用SM2和SM3算法生成用户数据的数字签名，并使用SM1或SM4算法以及会话密钥对用户数据和数字签名进行加密；对端收到加密的用户数据后，使用相同的会话密钥解密，然后通过SM2和SM3算法进行数据完整性检查。

10.2 4G/5G VPDN业务组网

4G/5G VPDN（Virtual Private Dialup Network，虚拟专有拨号网络）业务是在4G/5G无线网络中采用拨号方式实现的一种虚拟专有网络业务。它利用L2TP技术为客户构建与互联网隔离的隧道，以满足客户分支和总部内网通信的需求。VPDN组网同时支持将L2TP和IPsec技术结合，通过L2TP完成用户认证确保接入安全，并利用IPsec保障通信数据安全。
1）4G/5G VPDN组网中分支网关由4G/5G路由设备担任，通过拨号接入运营商网络。
2）运营商对4G/5G路由设备的APN（Access Point Name，接入点名称）、账户、SIM/USIM卡信息进行认证。
3）4G/5G路由设备认证通过后被运营商判断是VPDN用户，同时由运营商AAA服务器向LAC（L2TP Access Concentrator，L2TP访问集中器）设备下发L2TP隧道属性，LAC设备将基于下发的L2TP隧道属性信息向该VPDN用户所属总部的LNS（L2TP Network Server，L2TP网络服务器）设备发起隧道建立请求。
4）L2TP隧道建立后，LAC设备会通过此隧道向LNS设备透传用户的认证信息。LNS设备向总部内网的AAA服务器发起对VPDN用户的二次认证，认证通过后为VPDN用户分配一个企业内网IP地址。分支终端用户和总部可以开始通信。
5）分支网关与总部网关设备上均安装有国密板卡，通过IPsec协商建立起端到端的IPsec隧道，使用国密算法对传输的数据报文进行加密保护和数据完整性检查。
6）经IPsec加密后的数据报文在LAC设备处进行L2TP封装后，通过L2TP隧道传输到LNS。
7）LNS收到数据报文后首先对L2TP报文进行解封装，然后经过IPsec解密还原出数据报文，根据报文目的IP地址转发报文。

11、相关文章

[1] 常用加解密算法与通讯安全讲解
[2] 非对称加密技术的原理与应用实践
[3] IM聊天系统安全手段之通信连接层加密技术
[4] IM聊天系统安全手段之传输内容端到端加密技术
[5] 通俗易懂：一篇掌握即时通讯的消息传输安全原理
[6] 基于Netty的IM聊天加密技术学习：一文理清常见的加密概念、术语等
[7] 理论联系实际：一套典型的IM通信协议设计详解（含安全层设计）
[8] 微信新一代通信安全解决方案：基于TLS1.3的MMTLS详解
[9] 手把手教你为基于Netty的IM生成自签名SSL/TLS证书

（本文已同步发布于：http://www.52im.net/thread-4552-1-1.html）