一、前言
加密、验签是软件开发过程必不可少部分，尤其是针对webapi或者其它接口方式业务处理、数据交互过程中是必需部分，否则数据会存在泄露、暴露风险。无论在内网还是外网生产环境中，明文请求不可取，安全系数较低，对生产系统是重大威胁。如果各行各业针对业务系统进行等保评级，安全要求越来越高，建议产品设计与实现过程中针对此部分做好相关设计处理，避免后期系统上线后再进行改造，徒增工作量；
密码算法作为国家战略资源，比历史上任何时候都显得更为关键。在大数据和云计算的时代，关键信息往往通过数据挖掘技术在海量数据中获得，信息、数据隐私保护非常重要。
二、算法介绍
其中SM1、SM4、SM7、祖冲之密码（ZUC）是对称算法；SM2、SM9是非对称算法；SM3是哈希算法。目前，这些算法已广泛应用于各个领域中，期待有一天会有采用国密算法的区块链应用出现。
1.SM1对称密码
SM1 算法是分组密码算法，分组长度为128位，密钥长度都为 128 比特，算法安全保密强度及相关软硬件实现性能与 AES 相当，算法不公开，仅以IP核的形式存在于芯片中。
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）。
2.SM2椭圆曲线公钥密码算法
SM2算法就是ECC椭圆曲线密码机制，但在签名、密钥交换方面不同于ECDSA、ECDH等国际标准，而是采取了更为安全的机制。另外，SM2推荐了一条256位的曲线作为标准曲线。
SM2标准包括总则，数字签名算法，密钥交换协议，公钥加密算法四个部分，并在每个部分的附录详细说明了实现的相关细节及示例。
SM2算法主要考虑素域Fp和F2m上的椭圆曲线，分别介绍了这两类域的表示，运算，以及域上的椭圆曲线的点的表示，运算和多倍点计算算法。然后介绍了编程语言中的数据转换，包括整数和字节串，字节串和比特串，域元素和比特串，域元素和整数，点和字节串之间的数据转换规则。详细说明了有限域上椭圆曲线的参数生成以及验证，椭圆曲线的参数包括有限域的选取，椭圆曲线方程参数，椭圆曲线群基点的选取等，并给出了选取的标准以便于验证。最后给椭圆曲线上密钥对的生成以及公钥的验证，用户的密钥对为（s，sP），其中s为用户的私钥，sP为用户的公钥，由于离散对数问题从sP难以得到s，并针对素域和二元扩域给出了密钥对生成细节和验证方式。总则中的知识也适用于SM9算法。在总则的基础上给出了数字签名算法（包括数字签名生成算法和验证算法），密钥交换协议以及公钥加密算法（包括加密算法和解密算法），并在每个部分给出了算法描述，算法流程和相关示例。
数字签名算法，密钥交换协议以及公钥加密算法都使用了国家密管理局批准的SM3密码杂凑算法和随机数发生器。数字签名算法，密钥交换协议以及公钥加密算法根据总则来选取有限域和椭圆曲线，并生成密钥对。
3.SM3杂凑算法
SM3密码杂凑（哈希、散列）算法给出了杂凑函数算法的计算方法和计算步骤，并给出了运算示例。此算法适用于商用密码应用中的数字签名和验证，消息认证码的生成与验证以及随机数的生成，可满足多种密码应用的安全需求。在SM2，SM9标准中使用。
此算法对输入长度小于2的64次方的比特消息，经过填充和迭代压缩，生成长度为256比特的杂凑值，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。具体算法及运算示例见SM3标准。
4.SM4对称算法
此算法是一个分组算法，用于无线局域网产品。该算法的分组长度为128比特，密钥长度为128比特。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。
此算法采用非线性迭代结构，每次迭代由一个轮函数给出，其中轮函数由一个非线性变换和线性变换复合而成，非线性变换由S盒所给出。其中rki为轮密钥，合成置换T组成轮函数。轮密钥的产生与上图流程类似，由加密密钥作为输入生成，轮函数中的线性变换不同，还有些参数的区别。SM4算法的具体描述和示例见SM4标准。
5.SM7对称密码
SM7算法，是一种分组密码算法，分组长度为128比特，密钥长度为128比特。SM7适用于非接触式IC卡，应用包括身份识别类应用(门禁卡、工作证、参赛证)，票务类应用(大型赛事门票、展会门票)，支付与通卡类应用（积分消费卡、校园一卡通、企业一卡通等）。
6.SM9标识密码算法
为了降低公开密钥系统中密钥和证书管理的复杂性，以色列科学家、RSA算法发明人之一Adi Shamir在1984年提出了标识密码（Identity-Based Cryptography）的理念。标识密码将用户的标识（如邮件地址、手机号码、QQ号码等）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，非常适合端对端离线安全通讯、云端数据加密、基于属性加密、基于策略加密的各种场合。2008年标识密码算法正式获得国家密码管理局颁发的商密算法型号：SM9(商密九号算法)，为我国标识密码技术的应用奠定了坚实的基础。
SM9算法不需要申请数字证书，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、通道加密等安全应用，并具有使用方便，易于部署的特点，从而开启了普及密码算法的大门。
7.ZUC祖冲之算法
祖冲之序列密码算法是中国自主研究的流密码算法,是运用于移动通信4G网络中的国际标准密码算法,该算法包括祖冲之算法(ZUC)、加密算法(128-EEA3)和完整性算法(128-EIA3)三个部分。目前已有对ZUC算法的优化实现，有专门针对128-EEA3和128-EIA3的硬件实现与优化。
三、实践应用与代码
1、webapi与业务内部数据
目前使用在webapi的请求入参加密(SM4)、验签(SM3)来使用，增加webapi的安全性；还存在部分数据交互，web网页url带隐私数据加密、解密后进行交互；
2、数据加密
针对部分业务核心数据、重要数据进行加密存储，秘钥通过一系列算法来生成，保证数据可解密、可加密，避免数据明文存储等；
Ps：目前Windows、Centos、Andriod 已实现SM加密算法互通（加密、解密、签名等）
四、部分代码实例
1、Delphi
//加密
function SM4encrypt(appkey: string; appdata: string; out encdata: string): Boolean;
var
Len: Integer;
KeyBytes, IvBytes, ResBytes, DataBytes: TBytes;
begin
try
Result := true;
KeyBytes := TEncoding.UTF8.GetBytes(appkey);
DataBytes := TEncoding.UTF8.GetBytes(appdata);
BytesAddPKCS7Padding(DataBytes, SM4_BLOCKSIZE);
ResBytes := SM4EncryptEcbBytes(KeyBytes, DataBytes);
encdata := BytesToHex(ResBytes);
except
on e: Exception do
begin
encdata := '加密异常';
Result := False;
end;
end;
end;
//解密
function SM4decrypt(appkey: string; encata: string; out data: string): Boolean;
var
S: AnsiString;
Output: AnsiString;
Len: Integer;
KeyBytes, IvBytes, ResBytes: TBytes;
begin
try
Result := true;
KeyBytes := TEncoding.UTF8.GetBytes(appkey);
ResBytes := SM4DecryptEcbBytes(KeyBytes, HexToBytes(encata));
BytesRemovePKCS7Padding(ResBytes);
data := TEncoding.UTF8.GetString(ResBytes);
except
on e: Exception do
begin
data := '解密异常';
Result := False;
end;
end;
end;
2、c#、.net
public static int Sm2_4Encrypt(string Encrypttype, string Encryptmode, string publickey, string iv, int base64, int hexstring, string indata, out string outdata)
{
int result = 0;
string text = "";
try
{
if (Encrypttype != "SM3" && string.IsNullOrEmpty(publickey))
{
result = -1;
text = (outdata = "请传入密钥，解密内容");
return result;
}
switch (Encrypttype)
{
case "SM2":
text = SM2Util.encryptBase64(indata, publickey);
break;
case "SM3":
if (string.IsNullOrEmpty(publickey))
{
result = SM3.SM3_Nokey(indata, out var encryptdata);
text = encryptdata;
}
else
{
text = SM3.ToSM3byte(indata, publickey);
}
break;
case "SM4":
if (publickey.Trim().Length < 16 && hexstring == 0)
{
result = -1;
text = "SM4 加密，密钥必须为16位";
}
else if (Encryptmode == "CBC")
{
if (string.IsNullOrEmpty(iv))
{
iv = "0000000000000000";
}
text = SM4Util.CBC_EncryptData(publickey, iv, indata);
}
else
{
text = SM4Util.EncryptData(publickey, base64, hexstring, indata);
}
break;
default:
result = -1;
text = "请传入加密类型；SM2或SM4";
break;
}
}
catch (Exception ex)
{
result = -1;
text = "错误：" + ex.Message;
}
outdata = text;
return result;
}
public static int Sm2_4Decrypt(string Encrypttype, string Encryptmode, string privatekey, string iv, int base64, int hexstring, string indata, out string outdata)
{
int result = 0;
string text = "";
try
{
if (string.IsNullOrEmpty(privatekey) || string.IsNullOrEmpty(indata))
{
result = -1;
text = "请传入密钥，解密内容";
}
switch (Encrypttype)
{
case "SM2":
text = SM2Util.decryptBase64(indata, privatekey);
break;
case "SM3":
result = -1;
text = "SM3 为不可逆算法，不支持解密";
break;
case "SM4":
if (privatekey.Trim().Length < 16 && hexstring == 0)
{
result = -1;
text = "SM4 加密，密钥必须为16位";
}
else if (Encryptmode == "CBC")
{
if (string.IsNullOrEmpty(iv))
{
iv = "0000000000000000";
}
text = SM4Util.CBC_DecryptData(privatekey, iv, indata);
}
else
{
text = SM4Util.DecryptData(privatekey, base64, hexstring, indata);
}
break;
default:
result = -1;
text = "请传入解密类型；SM2或SM4";
break;
}
}
catch (Exception ex)
{
result = -1;
text = "错误：" + ex.Message;
}
outdata = text;
return result;
}
}
工具类：
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Security.Cryptography;
using System.Text;
namespace Intehip.Service.SmEncrypt
{
internal class SM4Util
{
public static string EncryptData(string appSecret, int base64, int hexstring, string data)
{
SM4_Crypt sM4_Crypt = new SM4_Crypt();
bool hexstring2 = true;
if (hexstring == 0)
{
hexstring2 = false;
}
return sM4_Crypt.EncryptECB(appSecret, base64, data, hexstring2);
}
public static string DecryptData(string appSecret, int base64, int hexstring, string data)
{
SM4_Crypt sM4_Crypt = new SM4_Crypt();
bool hexstring2 = true;
if (hexstring == 0)
{
hexstring2 = false;
}
return sM4_Crypt.DecryptECB(appSecret, base64, data, hexstring2);
}
public static string CBC_EncryptData(string appSecret, string iv, string data)
{
return new SM4_Crypt().EncryptCBC(appSecret, hexstring: false, iv, data);
}
public static string CBC_DecryptData(string appSecret, string iv, string data)
{
return new SM4_Crypt().DecryptCBC(appSecret, hexstring: false, iv, data);
}
public static string MarkSign(string signType, Dictionary<string, string> paramDic)
{
if (paramDic == null || paramDic.Count == 0)
{
throw new Exception("签名参数不能为空");
}
StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
foreach (KeyValuePair<string, string> item in paramDic)
{
stringBuilder.Append(item.Value);
}
string data = stringBuilder.Append(signType).ToString();
if (signType == "MD5")
{
return Md5Hex(data);
}
throw new Exception("未实现加密方式");
}
private static string Md5Hex(string data)
{
byte[] array = new MD5CryptoServiceProvider().ComputeHash(Encoding.UTF8.GetBytes(data));
StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
byte[] array2 = array;
foreach (byte b in array2)
{
stringBuilder.Append(b.ToString("x2").ToLower());
}
return stringBuilder.ToString();
}
public static string GenerateTimeStamp()
{
return Convert.ToInt64((DateTime.UtcNow - new DateTime(1970, 1, 1, 0, 0, 0, 0)).TotalSeconds).ToString();
}
}
}
3、java
/*
SM4 国密算法等
Mode-SM3\SM4
key-加密的秘钥
data-输入的加密字符串
*/
public String Sm_Encrypt(String key,String data)
{
JSONObject outdataobject=new JSONObject();
String outdata="";
try
{
byte[] encrypt = SM4encrypt(data.getBytes("UTF-8"), key.getBytes("UTF-8"));
String hex = new String(Hex.encode(encrypt), StandardCharsets.UTF_8);
outdataobject.put("code", 0);
outdataobject.put("msg", "正常");
outdataobject.put("data", hex);
}
catch (Exception ex)
{
outdataobject.put("code", -1);
outdataobject.put("msg", ex.getMessage());
outdataobject.put("data","");
}
outdata=outdataobject.toJSONString();
return outdata;
}
/*
SM4-decrypt 解密
*/
public String Sm_Decrypt(String key,String data)
{
JSONObject outdataobject=new JSONObject();
String outdata="";
try
{
byte[] decryptBytes = hexStringToBytes(data);
byte[] decrypt = SM4decrypt(decryptBytes, key.getBytes("UTF-8"));
String hex = new String(decrypt);
outdataobject.put("code", 0);
outdataobject.put("msg", "正常");
outdataobject.put("data", hex);
}
catch (Exception ex)
{
outdataobject.put("code", -1);
outdataobject.put("msg", ex.getMessage());
outdataobject.put("data","");
}
outdata=outdataobject.toJSONString();
return outdata;
}
public String Sm_Sign(String key,String data)
{
JSONObject outdataobject=new JSONObject();
String outdata="";
try
{
String hex = sm3_encryptPlus(data,key);
outdataobject.put("code", 0);
outdataobject.put("msg", "正常");
outdataobject.put("data", hex);
}
catch (Exception ex)
{
outdataobject.put("code", -1);
outdataobject.put("msg", ex.getMessage());
outdataobject.put("data","");
}
outdata=outdataobject.toJSONString();
return outdata;
}
