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SM2和SM4加密算法详解

news 2025/8/13 9:20:48

SM2和SM4加密算法详解

概述

SM2和SM4是中国国家密码管理局发布的商用密码算法：

算法	类型	主要用途	密钥特点	性能
SM2	非对称加密	数字签名、身份认证、密钥交换	公钥+私钥对	较慢
SM4	对称加密	数据加密解密	单一共享密钥	较快

SM2算法详解

算法原理

SM2基于椭圆曲线离散对数问题，使用的椭圆曲线方程为：

y² = x³ + ax + b (mod p)

核心参数（256位）

素数p: FFFFFFFEFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF00000000FFFFFFFFFFFFFFFF
参数a: FFFFFFFEFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF00000000FFFFFFFFFFFFFFFC
参数b: 28E9FA9E9D9F5E344D5A9E4BCF6509A7F39789F515AB8F92DDBCBD414D940E93
基点G: 椭圆曲线上的基础点坐标
阶n: FFFFFFFEFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF7203DF6B61C6823577B

SM2的三个核心操作

1. 密钥生成（Key Generation）

目的：创建一对密钥（公钥和私钥）

比喻：制作一把锁和对应的钥匙

私钥 = 钥匙（保密，只有你知道）
公钥 = 锁（公开，任何人都能用）

执行步骤：

// 第一步：初始化密钥生成器
ECKeyPairGenerator keyPairGenerator = new ECKeyPairGenerator();// 第二步：设置生成参数（使用SM2的数学参数）
keyPairGenerator.init(new ECKeyGenerationParameters(SM2_DOMAIN, new SecureRandom()));// 第三步：生成密钥对
AsymmetricCipherKeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();// 第四步：分别获取公钥和私钥
ECPrivateKeyParameters privateKey = (ECPrivateKeyParameters) keyPair.getPrivate();
ECPublicKeyParameters publicKey = (ECPublicKeyParameters) keyPair.getPublic();

数学原理：

随机选择私钥：d ∈ [1, n-1]
计算公钥：P = d × G（椭圆曲线点乘）

2. 数字签名（Digital Signature）

目的：证明文件/消息确实是你发送的，没有被篡改

比喻：在文件上盖你的私人印章

用你的私钥（印章）在消息上"盖章"
生成一个签名（印章印记）

应用场景：

银行转账确认
合同签署
软件更新验证

执行步骤：

// 假设要给这条消息签名
String message = "转账给张三1000元";
byte[] messageBytes = message.getBytes();// 第一步：创建签名器
SM2Signer signer = new SM2Signer();// 第二步：用私钥初始化签名器（准备盖章）
signer.init(true, privateKey); // true表示签名模式// 第三步：把消息"喂"给签名器
signer.update(messageBytes, 0, messageBytes.length);// 第四步：生成签名（盖章完成）
byte[] signature = signer.generateSignature();

数学原理：

计算消息摘要：e = Hash(M)
生成随机数k，计算：(x1, y1) = k × G
计算：r = (e + x1) mod n
计算：s = (1 + dA)^(-1) × (k - r × dA) mod n
签名结果：(r, s)

3. 签名验证（Signature Verification）

目的：验证签名是否真实，消息是否被篡改

比喻：检查印章是否真实

用发送者的公钥（公开的印章样本）
验证印章（签名）是否匹配

执行步骤：

// 接收方收到了：原消息 + 签名
// 现在要验证签名是否有效// 第一步：创建验证器
SM2Signer verifier = new SM2Signer();// 第二步：用公钥初始化验证器（准备验证印章）
verifier.init(false, publicKey); // false表示验证模式// 第三步：把原消息"喂"给验证器
verifier.update(messageBytes, 0, messageBytes.length);// 第四步：验证签名
boolean isValid = verifier.verifySignature(signature);if (isValid) {System.out.println("签名有效！消息确实是发送者发的，且未被篡改");
} else {System.out.println("签名无效！消息可能被篡改或者不是声称的发送者发的");
}

数学原理：

计算：t = (r + s) mod n
计算：(x1’, y1’) = s × G + t × PA
计算：r’ = (e + x1’) mod n
验证：r’ = r 是否成立

SM4算法详解

算法原理

SM4是分组密码算法，采用Feistel结构：

分组长度：128位（16字节）
密钥长度：128位（16字节）
轮数：32轮迭代

核心组件

S盒（Sbox）：8×8的非线性变换表
线性变换L：位移和异或运算
轮函数F：T变换 = L变换 ∘ τ变换

SM4的核心操作

1. 密钥生成

// 生成128位（16字节）的随机密钥
byte[] key = new byte[16];
SecureRandom.getInstanceStrong().nextBytes(key);

2. 加密流程

执行步骤：

// 第一步：创建SM4引擎
SM4Engine engine = new SM4Engine();
PaddedBufferedBlockCipher cipher = new PaddedBufferedBlockCipher(new CBCBlockCipher(engine)
);// 第二步：用密钥初始化加密器
cipher.init(true, new KeyParameter(key)); // true表示加密模式// 第三步：处理明文数据
byte[] plaintext = "机密信息".getBytes();
byte[] output = new byte[cipher.getOutputSize(plaintext.length)];
int len = cipher.processBytes(plaintext, 0, plaintext.length, output, 0);// 第四步：完成加密
cipher.doFinal(output, len);

数学原理：

输入：X0, X1, X2, X3 = 明文分组（每个32位）
for i in range(32):Xi+4 = Xi ⊕ T(Xi+1 ⊕ Xi+2 ⊕ Xi+3 ⊕ rki)
输出：密文 = X35, X34, X33, X32

3. 解密流程

执行步骤：

// 第一步：创建SM4引擎
SM4Engine engine = new SM4Engine();
PaddedBufferedBlockCipher cipher = new PaddedBufferedBlockCipher(new CBCBlockCipher(engine)
);// 第二步：用密钥初始化解密器
cipher.init(false, new KeyParameter(key)); // false表示解密模式// 第三步：处理密文数据
byte[] output = new byte[cipher.getOutputSize(ciphertext.length)];
int len = cipher.processBytes(ciphertext, 0, ciphertext.length, output, 0);// 第四步：完成解密
cipher.doFinal(output, len);

Java实现工具

1. Bouncy Castle（推荐）

Maven依赖：

<dependency><groupId>org.bouncycastle</groupId><artifactId>bcprov-jdk15on</artifactId><version>1.70</version>
</dependency>

特点：

功能最完整，支持SM2/SM3/SM4
社区活跃，更新及时
性能中等，稳定可靠

2. 华为鲲鹏BouncyCastle（KAE）

Maven依赖：

<dependency><groupId>com.huawei.kae</groupId><artifactId>kae-provider</artifactId><version>1.1.18</version>
</dependency>

特点：

硬件加速，性能最优
需要特定硬件支持
适合高性能场景

3. 使用JCA Provider方式

// 注册Provider
Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());// 使用标准JCA接口
KeyPairGenerator keyGen = KeyPairGenerator.getInstance("EC", "BC");
ECGenParameterSpec ecSpec = new ECGenParameterSpec("sm2p256v1");
keyGen.initialize(ecSpec);
KeyPair keyPair = keyGen.generateKeyPair();// SM4对称加密
Cipher cipher = Cipher.getInstance("SM4/ECB/PKCS5Padding", "BC");
SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "SM4");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec);
byte[] encrypted = cipher.doFinal(plaintext);

实际应用场景

组合使用策略

在实际应用中，SM2和SM4经常组合使用：

用SM2传输SM4的密钥（密钥交换）
用SM4加密大量数据（性能好）
用SM2对数据进行签名（验证完整性）

典型应用场景

场景	SM2的作用	SM4的作用
网银转账	数字签名确认身份	加密传输数据
电子合同	合同签名防篡改	合同内容加密
文件传输	身份验证	文件内容加密
API接口	请求签名验证	敏感数据加密

完整代码示例

SM2完整示例

public class SM2Example {public static void main(String[] args) {try {// === 第一阶段：密钥生成 ===System.out.println("=== SM2密钥生成 ===");AsymmetricCipherKeyPair keyPair = generateSM2KeyPair();ECPrivateKeyParameters privateKey = (ECPrivateKeyParameters) keyPair.getPrivate();ECPublicKeyParameters publicKey = (ECPublicKeyParameters) keyPair.getPublic();System.out.println("密钥生成完成");// === 第二阶段：数字签名 ===System.out.println("\n=== 数字签名 ===");String message = "重要合同内容：转账1000万元";byte[] signature = signMessage(message, privateKey);System.out.println("原始消息: " + message);System.out.println("签名完成，签名长度: " + signature.length + " 字节");// === 第三阶段：签名验证 ===System.out.println("\n=== 签名验证 ===");boolean isValid = verifySignature(message, signature, publicKey);System.out.println("签名验证结果: " + (isValid ? "有效" : "无效"));// === 第四阶段：篡改测试 ===System.out.println("\n=== 篡改测试 ===");String tamperedMessage = "重要合同内容：转账1元"; // 故意篡改boolean isTamperedValid = verifySignature(tamperedMessage, signature, publicKey);System.out.println("篡改后验证结果: " + (isTamperedValid ? "有效" : "无效"));} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}// 生成SM2密钥对private static AsymmetricCipherKeyPair generateSM2KeyPair() {ECKeyPairGenerator keyPairGenerator = new ECKeyPairGenerator();keyPairGenerator.init(new ECKeyGenerationParameters(SM2ParameterSpec.INSTANCE, new SecureRandom()));return keyPairGenerator.generateKeyPair();}// SM2数字签名private static byte[] signMessage(String message, ECPrivateKeyParameters privateKey) {try {SM2Signer signer = new SM2Signer();signer.init(true, privateKey);byte[] messageBytes = message.getBytes("UTF-8");signer.update(messageBytes, 0, messageBytes.length);return signer.generateSignature();} catch (Exception e) {throw new RuntimeException("签名失败", e);}}// SM2签名验证private static boolean verifySignature(String message, byte[] signature, ECPublicKeyParameters publicKey) {try {SM2Signer verifier = new SM2Signer();verifier.init(false, publicKey);byte[] messageBytes = message.getBytes("UTF-8");verifier.update(messageBytes, 0, messageBytes.length);return verifier.verifySignature(signature);} catch (Exception e) {throw new RuntimeException("验证失败", e);}}
}

SM4完整示例

public class SM4Example {public static void main(String[] args) {try {// === 第一阶段：密钥生成 ===System.out.println("=== SM4密钥生成 ===");byte[] key = generateSM4Key();System.out.println("SM4密钥生成完成，密钥长度: " + key.length + " 字节");// === 第二阶段：数据加密 ===System.out.println("\n=== 数据加密 ===");String plaintext = "这是需要加密的机密信息：银行账户密码123456";byte[] encrypted = encryptSM4(plaintext.getBytes("UTF-8"), key);System.out.println("原始数据: " + plaintext);System.out.println("加密完成，密文长度: " + encrypted.length + " 字节");System.out.println("密文(Base64): " + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));// === 第三阶段：数据解密 ===System.out.println("\n=== 数据解密 ===");byte[] decrypted = decryptSM4(encrypted, key);String decryptedText = new String(decrypted, "UTF-8");System.out.println("解密结果: " + decryptedText);System.out.println("解密成功: " + plaintext.equals(decryptedText));} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}// 生成SM4密钥private static byte[] generateSM4Key() {byte[] key = new byte[16]; // SM4使用128位（16字节）密钥new SecureRandom().nextBytes(key);return key;}// SM4加密private static byte[] encryptSM4(byte[] plaintext, byte[] key) {try {SM4Engine engine = new SM4Engine();PaddedBufferedBlockCipher cipher = new PaddedBufferedBlockCipher(new CBCBlockCipher(engine));// 初始化加密器cipher.init(true, new KeyParameter(key));// 执行加密byte[] output = new byte[cipher.getOutputSize(plaintext.length)];int len = cipher.processBytes(plaintext, 0, plaintext.length, output, 0);len += cipher.doFinal(output, len);// 返回实际长度的数组return Arrays.copyOf(output, len);} catch (Exception e) {throw new RuntimeException("SM4加密失败", e);}}// SM4解密private static byte[] decryptSM4(byte[] ciphertext, byte[] key) {try {SM4Engine engine = new SM4Engine();PaddedBufferedBlockCipher cipher = new PaddedBufferedBlockCipher(new CBCBlockCipher(engine));// 初始化解密器cipher.init(false, new KeyParameter(key));// 执行解密byte[] output = new byte[cipher.getOutputSize(ciphertext.length)];int len = cipher.processBytes(ciphertext, 0, ciphertext.length, output, 0);len += cipher.doFinal(output, len);// 返回实际长度的数组return Arrays.copyOf(output, len);} catch (Exception e) {throw new RuntimeException("SM4解密失败", e);}}
}

组合使用示例

public class CombinedSM2SM4Example {public static void main(String[] args) {try {System.out.println("=== SM2+SM4组合使用示例 ===");// 1. 生成SM2密钥对（用于密钥交换和签名）AsymmetricCipherKeyPair senderKeyPair = generateSM2KeyPair();AsymmetricCipherKeyPair receiverKeyPair = generateSM2KeyPair();// 2. 生成SM4密钥（用于数据加密）byte[] sm4Key = generateSM4Key();// 3. 准备要传输的大量数据String largeData = "这是一份包含大量机密信息的文档..." + "在实际应用中，这可能是几MB甚至几GB的数据";// === 发送方操作 ===System.out.println("\n=== 发送方操作 ===");// 4. 用接收方公钥加密SM4密钥byte[] encryptedSM4Key = sm2Encrypt(sm4Key, (ECPublicKeyParameters) receiverKeyPair.getPublic());System.out.println("SM4密钥已用SM2加密");// 5. 用SM4加密大量数据byte[] encryptedData = encryptSM4(largeData.getBytes("UTF-8"), sm4Key);System.out.println("大量数据已用SM4加密");// 6. 用发送方私钥对加密数据进行签名byte[] signature = signMessage(Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedData),(ECPrivateKeyParameters) senderKeyPair.getPrivate());System.out.println("数据已签名");// === 模拟网络传输 ===System.out.println("\n=== 网络传输 ===");System.out.println("传输内容：加密的SM4密钥 + 加密的数据 + 数字签名");// === 接收方操作 ===System.out.println("\n=== 接收方操作 ===");// 7. 用接收方私钥解密SM4密钥byte[] decryptedSM4Key = sm2Decrypt(encryptedSM4Key,(ECPrivateKeyParameters) receiverKeyPair.getPrivate());System.out.println("SM4密钥解密成功");// 8. 验证数字签名boolean signatureValid = verifySignature(Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedData),signature,(ECPublicKeyParameters) senderKeyPair.getPublic());System.out.println("签名验证结果: " + (signatureValid ? "有效" : "无效"));if (signatureValid) {// 9. 用解密的SM4密钥解密数据byte[] decryptedData = decryptSM4(encryptedData, decryptedSM4Key);String finalResult = new String(decryptedData, "UTF-8");System.out.println("数据解密成功！");System.out.println("原始数据: " + largeData);System.out.println("解密数据: " + finalResult);System.out.println("数据完整性: " + largeData.equals(finalResult));} else {System.out.println("签名验证失败，数据可能被篡改！");}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}// SM2加密（用于加密SM4密钥）private static byte[] sm2Encrypt(byte[] data, ECPublicKeyParameters publicKey) {// 实现SM2加密逻辑// 这里简化处理，实际需要完整的SM2加密实现return data; // 简化返回}// SM2解密private static byte[] sm2Decrypt(byte[] encryptedData, ECPrivateKeyParameters privateKey) {// 实现SM2解密逻辑// 这里简化处理，实际需要完整的SM2解密实现return encryptedData; // 简化返回}// 其他方法同前面示例...
}