数据安全_笔记系列02:国密算法（商用密码算法）详解

数据安全_笔记系列02:国密算法（商用密码算法）详解

国密算法是中国国家密码管理局（现国家密码管理局）制定的一系列自主可控的密码算法标准，旨在保障国内信息安全，满足合规要求。以下从 算法类型、技术细节、应用场景、工具实现、合规政策 等维度全面解析：

一、国密算法分类与核心标准

二、技术细节与原理

1. SM2（椭圆曲线公钥密码算法）

• 基础参数：

  • 基于椭圆曲线密码（ECC），曲线方程为 y2=x3+ax+by2=x3+ax+b。

  • 推荐曲线：SM2标准曲线（256位素数域）。

• 核心功能：

  • 数字签名：生成与验证签名（类似ECDSA）。

  • 密钥交换：双方协商共享密钥（类似ECDH）。

  • 加密解密：支持公钥加密、私钥解密。

• 优势：

  • 同等安全强度下，密钥长度比RSA更短（256位 vs RSA 2048位）。

  • 抗量子计算攻击能力优于RSA。

2. SM4（分组对称加密算法）

• 参数：

  • 分组长度：128位。

  • 密钥长度：128位。

  • 加密轮数：32轮。

• 加密流程：

  1. 密钥扩展：生成32个轮密钥。

  2. 轮函数：包含非线性变换（S盒）、线性变换（L函数）。

  3. 加解密对称性：解密流程为加密的逆序。

• 模式支持：CBC、ECB、CTR等（需使用国密标准填充方式）。

3. SM3（密码杂凑算法）

• 输出长度：256位哈希值。

• 结构：基于Merkle-Damgård结构，压缩函数类似SHA-256但设计不同。

• 抗碰撞性：目前无已知有效攻击方法。

4. SM9（标识密码算法）

• 核心特点：

  • 基于双线性对（Bilinear Pairing）实现，用户身份（如邮箱）即公钥。

  • 无需数字证书，简化密钥管理。

• 应用场景：物联网设备认证、政务系统内部通信。

三、国密算法应用场景

1. 金融行业

• 银联芯片卡：SM4加密交易数据，SM2用于数字证书。

• 移动支付：SM3保障交易报文完整性。

2. 政务与通信

• 电子政务外网：SM2/SM9实现身份认证与加密通信。

• 5G通信：SM4加密用户面数据。

3. 物联网（IoT）

• 设备认证：SM9实现无证书的轻量级身份验证。

• 数据传输：SM4-CBC加密传感器数据。

四、开发与工具实现

1. 开源库与工具

• GmSSL：支持国密算法的OpenSSL分支。

  • 生成SM2密钥对：

    bash

    复制

    gmssl ecparam -genkey -name sm2p256v1 -out sm2-key.pem
    gmssl ec -in sm2-key.pem -pubout -out sm2-pub.pem

  • SM4加密文件：

    bash

    复制

    gmssl enc -sm4-cbc -e -in plain.txt -out encrypted.bin -K 0123456789ABCDEFFEDCBA9876543210 -iv 0000000000000000

• Python库：gmssl、cryptography（部分支持）。

  python

  复制

  from gmssl import sm2, sm4
  # SM2加密示例
  private_key = '00...'  # 64字节私钥
  public_key = '04...'   # 130字节公钥（含04前缀）
  cipher = sm2.CryptSM2(public_key=public_key, private_key=private_key)
  encrypted_data = cipher.encrypt(b"Secret Message")

2. 硬件支持

• 国密芯片：如华大电子、国民技术的安全芯片，支持SM2/SM4硬件加速。

• HSM（硬件安全模块）：江南天安、三未信安等厂商提供国密HSM。

五、国密算法合规要求

1. 政策法规

• 《密码法》：要求关键信息基础设施使用商用密码（国密算法）。

• 金融行业：央行要求支付系统优先采用国密算法（如银联POS终端）。

• 等保2.0：三级以上系统需使用国密算法进行数据传输加密。

2. 国密改造步骤

1. 算法替换：将国际算法（如RSA、AES）替换为SM2/SM4。

2. 协议升级：采用国密SSL协议（如TLCP协议，基于SM2/SM3/SM4）。

3. 证书体系：申请国密SSL证书（由CFCA等机构颁发）。

六、国密 vs 国际算法对比

七、典型问题与解决方案

Q1：如何兼容现有国际算法系统？

• 方案：

  • 双算法支持：系统同时支持国密和RSA/AES，逐步过渡。

  • 网关代理：通过国密网关将国际算法流量转换为国密协议。

Q2：SM2签名与国际标准是否互通？

• 挑战：SM2签名格式与ECDSA不兼容。

• 方案：使用RFC规范（如RFC 5480扩展）封装SM2签名。

Q3：国密算法是否抗量子计算？

• 现状：SM2基于ECC，理论上不抗量子计算；SM9基于标识密码，安全性更高。

• 未来：中国密码局正在制定后量子密码标准（如LAC算法）。

八、实施案例

1. 某银行国密改造

• 动作：

  • 核心系统采用SM4加密数据库敏感字段。

  • 网上银行使用SM2 SSL证书（TLCP协议）。

• 效果：通过央行验收，满足《金融领域密码应用指导意见》。

2. 政务云平台

• 动作：

  • 使用SM9实现跨部门身份认证，无需CA证书。

  • 数据交换通道采用SM4-GCM加密。

• 效果：简化密钥管理，提升系统合规性。

九、资源推荐

• 标准文档：

  • 《GM/T 0003-2012 SM2椭圆曲线公钥密码算法》

  • 《GM/T 0004-2012 SM3密码杂凑算法》

• 开发资源：

  • GmSSL官网：https://github.com/guanzhi/GmSSL

  • 国密算法测试工具：密码管理局发布的《商用密码检测工具》

通过国密算法的实施，企业不仅能满足国内合规要求，还可提升自主可控的安全能力。核心建议：

1. 优先采用硬件加速（如国密芯片）提升性能。

2. 与监管机构保持沟通，及时获取算法更新信息。

3. 开发阶段集成国密支持，避免后期改造成本过高。

数据加密中的国密算法即国家密码管理局认定的国产密码算法，主要包括 SM1、SM2、SM3、SM4 等，以下是对它们的详细介绍：

SM1 算法

• 算法简介：SM1 是一种分组密码算法，它的分组长度和密钥长度均为 128 位。该算法采用 32 轮迭代的 Feistel 结构，具有较高的安全性和良好的实现效率。
• 应用场景：由于其安全性较高且运算速度较快，适用于对安全性要求较高的金融、通信等领域，常用于数据加密、身份认证等场景，如金融 IC 卡的交易加密等。

SM2 算法

• 算法简介：SM2 是基于椭圆曲线密码体制（ECC）的公钥密码算法。它利用椭圆曲线上的离散对数问题的困难性来保证算法的安全性，包括数字签名、密钥交换等功能。
• 应用场景：在信息安全领域应用广泛，如电子政务、电子商务中的数字证书、数字签名等场景，用于保障数据的真实性、完整性和不可否认性。例如，在电子合同签署中，使用 SM2 算法进行数字签名，确保合同内容不被篡改，签署方身份真实可靠。

SM3 算法

• 算法简介：SM3 是一种哈希算法，它可以将任意长度的数据映射为固定长度的哈希值，通常为 256 位。该算法通过对数据进行多轮迭代运算，生成具有唯一性和抗碰撞性的哈希值。
• 应用场景：常用于数据完整性校验、数字签名中的消息摘要生成等场景。在文件传输中，发送方和接收方可以通过计算文件的 SM3 哈希值来验证文件在传输过程中是否被篡改。

SM4 算法

• 算法简介：SM4 是一种分组对称密码算法，分组长度和密钥长度均为 128 位。它采用 32 轮迭代的非线性迭代结构，具有高效、安全的特点。
• 应用场景：在无线局域网、物联网等领域应用较多，用于对数据进行加密保护，确保数据在传输和存储过程中的保密性。如智能家居设备之间的数据传输加密，可采用 SM4 算法防止数据被窃取或篡改。

国密算法的优势

• 安全性高：国密算法是经过严格的密码学分析和验证的，能够抵御各种已知的密码攻击手段，保障数据的安全。
• 自主可控：国密算法由我国自主研发，拥有完全的自主知识产权，不受国外技术的限制和制约，能够有效保障国家信息安全和产业安全。
• 符合国内合规要求：在我国，许多行业和领域都要求采用国密算法进行数据加密和安全防护，以满足法律法规和监管要求。

国密算法的发展趋势

• 不断优化和创新：随着密码技术的不断发展和应用需求的不断变化，国密算法也在不断优化和创新，以提高算法的性能和安全性。
• 与其他技术融合：国密算法将与人工智能、大数据、区块链等技术深度融合，为复杂的应用场景提供更安全、高效的密码解决方案。
• 国际化推广：我国积极推动国密算法的国际化，让国密算法在国际舞台上发挥更大的作用，提升我国在密码领域的国际影响力。