认识 SM1/SM2/SM3/SM4/SM7/SM9/ZUC 国密算法


sm_algorithm

简介

国密即国家密码局认定的国产加密算法,爬虫工程师在做 JS 逆向的时候,会遇到各种各样的加密算法,其中 RSA、AES、SHA 等算法是最常见的,这些算法都是国外的,在我以前的文章里也有介绍:《史上最全总结!爬虫常见加密解密算法》

事实上从 2010 年开始,我国国家密码管理局就已经开始陆续发布了一系列国产加密算法,这其中就包括 SM1、SM2、SM3 、SM4、SM7、SM9、ZUC(祖冲之加密算法)等,SM 代表商密,即商业密码,是指用于商业的、不涉及国家秘密的密码技术。SM1 和 SM7 的算法不公开,其余算法都已成为 ISO/IEC 国际标准。

在这些国产加密算法中,SM2、SM3、SM4 三种加密算法是比较常见的,在爬取部分 gov 网站时,也可能会遇到这些算法,所以作为爬虫工程师是有必要了解一下这些算法的,如下图所示某 gov 网站就使用了 SM2 和 SM4 加密算法:


算法概述

算法名称 算法类别 应用领域 特点
SM1 对称(分组)加密算法 芯片 分组长度、密钥长度均为 128 比特
SM2 非对称(基于椭圆曲线 ECC)加密算法 数据加密 ECC 椭圆曲线密码机制 256 位,相比 RSA 处理速度快,消耗更少
SM3 散列(hash)函数算法 完整性校验 安全性及效率与 SHA-256 相当,压缩函数更复杂
SM4 对称(分组)加密算法 数据加密和局域网产品 分组长度、密钥长度均为 128 比特,计算轮数多
SM7 对称(分组)加密算法 非接触式 IC 卡 分组长度、密钥长度均为 128 比特
SM9 标识加密算法(IBE) 端对端离线安全通讯 加密强度等同于 3072 位密钥的 RSA 加密算法
ZUC 对称(序列)加密算法 移动通信 4G 网络 流密码

算法详解

SM1 分组加密算法

SM1 为分组加密算法,对称加密,分组长度和密钥长度都为 128 位,故对消息进行加解密时,若消息长度过长,需要进行分组,要消息长度不足,则要进行填充。算法安全保密强度及相关软硬件实现性能与 AES 相当,该算法不公开,仅以 IP 核的形式存在于芯片中,调用该算法时,需要通过加密芯片的接口进行调用,采用该算法已经研制了系列芯片、智能 IC 卡、智能密码钥匙、加密卡、加密机等安全产品,广泛应用于电子政务、电子商务及国民经济的各个应用领域(包括国家政务通、警务通等重要领域),一般了解的人比较少,爬虫工程师也不会遇到这种加密算法。

椭圆曲线公钥加密算法

SM2 为椭圆曲线(ECC)公钥加密算法,非对称加密,SM2 算法和 RSA 算法都是公钥加密算法,SM2 算法是一种更先进安全的算法,在我们国家商用密码体系中被用来替换 RSA 算法,在不少 gov 网站会见到此类加密算法。我国学者对椭圆曲线密码的研究从 20 世纪 80 年代开始,目前已取得不少成果,SM2 椭圆曲线公钥密码算法比 RSA 算法有以下优势:

SM2 RSA
安全性 256 位 SM2 强度已超过 RSA-2048 一般
算法结构 基本椭圆曲线(ECC) 基于特殊的可逆模幂运算
计算复杂度 完全指数级 亚指数级
存储空间(密钥长度) 192-256 bit 2048-4096 bit
秘钥生成速度 较 RSA 算法快百倍以上
解密加密速度 较快 一般

杂凑算法

SM3 为密码杂凑算法,采用密码散列(hash)函数标准,用于替代 MD5/SHA-1/SHA-2 等国际算法,是在 SHA-256 基础上改进实现的一种算法,消息分组长度为 512 位,摘要值长度为 256 位,其中使用了异或、模、模加、移位、与、或、非运算,由填充、迭代过程、消息扩展和压缩函数所构成。在商用密码体系中,SM3 主要用于数字签名及验证、消息认证码生成及验证、随机数生成等。据国家密码管理局表示,其安全性及效率要高于 MD5 算法和 SHA-1 算法,与 SHA-256 相当。

分组加密算法

SM4 为无线局域网标准的分组加密算法,对称加密,用于替代 DES/AES 等国际算法,SM4 算法与 AES 算法具有相同的密钥长度和分组长度,均为 128 位,故对消息进行加解密时,若消息长度过长,需要进行分组,要消息长度不足,则要进行填充。加密算法与密钥扩展算法都采用 32 轮非线性迭代结构,解密算法与加密算法的结构相同,只是轮密钥的使用顺序相反,解密轮密钥是加密轮密钥的逆序。

SM4 DES AES
计算轮数 32 16(3DES 为 16*3) 10/12/14
密码部件 S 盒、非线性变换、线性变换、合成变换 标准算术和逻辑运算、先替换后置换,不含线性变换 S 盒、行移位变换、列混合变换、圈密钥加变换(AddRoundKey)

分组加密算法

SM7 为分组加密算法,对称加密,该算法不公开,应用包括身份识别类应用(非接触式 IC 卡、门禁卡、工作证、参赛证等),票务类应用(大型赛事门票、展会门票等),支付与通卡类应用(积分消费卡、校园一卡通、企业一卡通等)。爬虫工程师基本上不会遇到此类算法。

标识加密算法

SM9 为标识加密算法(Identity-Based Cryptography),非对称加密,标识加密将用户的标识(如微信号、邮件地址、手机号码、QQ 号等)作为公钥,省略了交换数字证书和公钥过程,使得安全系统变得易于部署和管理,适用于互联网应用的各种新兴应用的安全保障,如基于云技术的密码服务、电子邮件安全、智能终端保护、物联网安全、云存储安全等等。这些安全应用可采用手机号码或邮件地址作为公钥,实现数据加密、身份认证、通话加密、通道加密等。在商用密码体系中,SM9 主要用于用户的身份认证,据新华网公开报道,SM9 的加密强度等同于 3072 位密钥的 RSA 加密算法。

祖冲之算法

ZUC 为流密码算法,对称加密,该机密性算法可适用于 3GPP LTE 通信中的加密和解密,该算法包括祖冲之算法(ZUC)、机密性算法(128-EEA3)和完整性算法(128-EIA3)三个部分。已经被国际组织 3GPP 推荐为 4G 无线通信的第三套国际加密和完整性标准的候选算法。


编程语言实现

Python 语言实现

在 Python 里面并没有比较官方的库来实现国密算法,这里仅列出了其中两个较为完善的第三方库,需要注意的是,SM1 和 SM7 算法不公开,目前大多库仅实现了 SM2、SM3、SM4 三种密算法。

其中 gmssl-python 是 gmssl 的改进版,gmssl-python 新增支持了 SM9 算法,不过截止本文编写时,gmssl-python 并未发布 pypi,也未 PR 到 gmssl,使用 pip install gmssl 安装的 gmssl 不支持 SM9 算法。若要使用 SM9 算法,可下载 gmssl-python 源码手动安装。

以 gmssl 的 SM2 算法为例,实现如下(其他算法和详细用法可参考其官方文档):

SM2 加密(encrypt)和解密(decrypt):

from gmssl import sm2


# 16 进制的公钥和私钥
private_key = '00B9AB0B828FF68872F21A837FC303668428DEA11DCD1B24429D0C99E24EED83D5'
public_key = 'B9C9A6E04E9C91F7BA880429273747D7EF5DDEB0BB2FF6317EB00BEF331A83081A6994B8993F3F5D6EADDDB81872266C87C018FB4162F5AF347B483E24620207'
sm2_crypt = sm2.CryptSM2(public_key=public_key, private_key=private_key)

# 待加密数据和加密后数据为 bytes 类型
data = b"this is the data to be encrypted"
enc_data = sm2_crypt.encrypt(data)
dec_data = sm2_crypt.decrypt(enc_data)

print('enc_data: ', enc_data.hex())
print('dec_data: ', dec_data)

# enc_data:  3cb96dd2e0b6c24df8e22a5da3951d061a6ee6ce99f46a446426feca83e501073288b1553ca8d91fad79054e26696a27c982492466dafb5ed06a573fb09947f2aed8dfae243b095ab88115c584bb6f0814efe2f338a00de42b244c99698e81c7913c1d82b7609557677a36681dd10b646229350ad0261b51ca5ed6030d660947
# dec_data:  b'this is the data to be encrypted'

SM2 签名(sign)和校验(verify):

from gmssl import sm2, func


# 16 进制的公钥和私钥
private_key = '00B9AB0B828FF68872F21A837FC303668428DEA11DCD1B24429D0C99E24EED83D5'
public_key = 'B9C9A6E04E9C91F7BA880429273747D7EF5DDEB0BB2FF6317EB00BEF331A83081A6994B8993F3F5D6EADDDB81872266C87C018FB4162F5AF347B483E24620207'
sm2_crypt = sm2.CryptSM2(public_key=public_key, private_key=private_key)

# 待签名数据为 bytes 类型
data = b"this is the data to be signed"
random_hex_str = func.random_hex(sm2_crypt.para_len)

#  16 进制
sign = sm2_crypt.sign(data, random_hex_str)
verify = sm2_crypt.verify(sign, data)

print('sign: ', sign)
print('verify: ', verify)

# sign:  45cfe5306b1a87cf5d0034ef6712babdd1d98547e75bcf89a17f3bcb617150a3f111ab05597601bab8c41e2b980754b74ebe9a169a59db37d549569910ae273a
# verify:  True

JavaScript 语言实现

在 JavaScript 中已有比较成熟的实现库,这里推荐 sm-crypto,目前支持 SM2、SM3 和 SM4,需要注意的是,SM2 非对称加密的结果由 C1、C2、C3 三部分组成,其中 C1 是生成随机数的计算出的椭圆曲线点,C2 是密文数据,C3 是 SM3 的摘要值,最开始的国密标准的结果是按 C1C2C3 顺序的,新标准的是按 C1C3C2 顺序存放的,sm-crypto 支持设置 cipherMode,也就是 C1C2C3 的排列顺序。

sm-crypto:https://www.npmjs.com/package/sm-crypto

以 SM2 算法为例,实现如下(其他算法和详细用法可参考其官方文档):

SM2 加密(encrypt)和解密(decrypt):

const sm2 = require('sm-crypto').sm2

// 1 - C1C3C2,0 - C1C2C3,默认为1
const cipherMode = 1

// 获取密钥对
let keypair = sm2.generateKeyPairHex()
let publicKey = keypair.publicKey   // 公钥
let privateKey = keypair.privateKey // 私钥

let msgString = "this is the data to be encrypted"
let encryptData = sm2.doEncrypt(msgString, publicKey, cipherMode)    // 加密结果
let decryptData = sm2.doDecrypt(encryptData, privateKey, cipherMode) // 解密结果

console.log("encryptData: ", encryptData)
console.log("decryptData: ", decryptData)

// encryptData:  ddf261103fae06d0efe20ea0fe0d82bcc170e8efd8eeae24e9559b3835993f0ed2acb8ba6782fc21941ee74ca453d77664a5cb7dbb91517e6a3b0c27db7ce587ae7af54f8df48d7fa822b7062e2af66c112aa57de94d12ba28e5ba96bf4439d299b41da4a5282d054696adc64156d248049d1eb1d0af28d76b542fe8a95d427e
// decryptData:  this is the data to be encrypted

SM2 签名(sign)和校验(verify):

const sm2 = require('sm-crypto').sm2

// 获取密钥对
let keypair = sm2.generateKeyPairHex()
let publicKey = keypair.publicKey   // 公钥
let privateKey = keypair.privateKey // 私钥

// 纯签名 + 生成椭圆曲线点
let msgString = "this is the data to be signed"
let sigValueHex = sm2.doSignature(msgString, privateKey)                    // 签名
let verifyResult = sm2.doVerifySignature(msgString, sigValueHex, publicKey) // 验签结果

console.log("sigValueHex: ", sigValueHex)
console.log("verifyResult: ", verifyResult)

// sigValueHex:  924cbb9f2b5adb554ef77129ff1e3a00b2da42017ad3ec2f806d824a77646987ba8c8c4fb94576c38bc11ae69cc98ebbb40b5d47715171ec7dcea913dfc6ccc1
// verifyResult:  true

其他语言实现以及参考资料


附:GM/T 密码行业标准