数据传输安全——混合加解密（国密）国密SM2与SM4混合加密解密工具类详解及其与其他加密算法的对比分析在当今互联网时

国密SM2与SM4混合加密解密工具类详解及其与其他加密算法的对比分析

在当今互联网时代，信息安全变得尤为重要。随着国家密码局发布的商用密码算法（即国密算法）逐渐普及，SM2和SM4等算法因其高效性和安全性成为了国内应用中的重要组成部分。本文不仅将详细介绍一个基于Java的国密SM2与SM4混合加密解密工具类，还将探讨这些算法与国际通用的RSA和AES算法之间的对比分析。

一、国密算法简介

SM2：这是一种基于椭圆曲线密码学（ECC）的非对称加密算法，主要用于数字签名和密钥交换。它提供了一种安全的方式用于保护信息的完整性和机密性。
SM4：这是一种对称加密算法，类似于AES，但它使用128位的密钥长度来加密数据。SM4在对称加密中提供了快速的数据加密能力。

二、混合加密机制

混合加密结合了对称加密和非对称加密的优点。在实际应用中，通常会使用非对称加密来安全地交换对称加密的密钥，而对称加密则用于大量数据的实际加密过程。这种方式可以兼顾安全性与效率。

三、代码实现解析

下面展示了一个简单的Java类SM2SM4EncryptUtil，该类实现了数据的加密和解密功能：

代码示例：

package com.sheldon.tool;

import cn.hutool.core.codec.Base64;
import cn.hutool.core.lang.Pair;
import cn.hutool.core.util.HexUtil;
import cn.hutool.crypto.KeyUtil;
import cn.hutool.crypto.Mode;
import cn.hutool.crypto.SecureUtil;
import cn.hutool.crypto.SmUtil;
import cn.hutool.crypto.asymmetric.SM2;
import cn.hutool.crypto.symmetric.SM4;
import cn.hutool.crypto.symmetric.SymmetricCrypto;

import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

/**
 * 国密SM2与SM4混合加密解密工具类
 * @author cmm
 * @ClassName SM2SM4EncryptUtil
 * @description: 实现国密标准下的混合加密解密
 * @date 2024年09月03日
 * @version: 1.0
 */
public class SM2SM4EncryptUtil {

    private static final String privateKey = "MIGTAgEAMBMGByqGSM49AgEGCCqBHM9VAYItBHkwdwIBAQQgBa9vwrQSnXXkopK7k74pufuC0jC8dIeSP4Z9fsiFKCCgCgYIKoEcz1UBgi2hRANCAARRqFu1xyHd7/gsM3O37GJ8C8BKn0V2Rbx9zRu67+/MljOGN1/yqm+fYcYGW2mEXWIoBff51BOxJGIdb0aNXE60";

    private static final String publicKey = "MFkwEwYHKoZIzj0CAQYIKoEcz1UBgi0DQgAEUahbtcch3e/4LDNzt+xifAvASp9FdkW8fc0buu/vzJYzhjdf8qpvn2HGBltphF1iKAX3+dQTsSRiHW9GjVxOtA==";
    private static final String sm4Key = "MUtzaoxmu0dZ9wxMoXwFBw=="; // 必须是16字节

    public static void main(String[] args) {

        System.out.println("------------原始数据-------------\n");
        String data = "\n《送孟浩然之广陵》\n" +
                "　　唐·李白\n" +
                "故人西辞黄鹤楼，烟花三月下扬州。\n" +
                "孤帆远影碧空尽，惟见长江天际流。\n";
        System.out.println("原始数据：" + data);
        System.out.println("-------------end-------------\n");

        Pair<String, String> encrypted = encrypt(data);
        decrypt(encrypted.getKey(), encrypted.getValue());
    }

    private static Pair<String, String> encrypt(String data) {
        System.out.println("------------开始加密-------------\n");

        SM4 sm4 = SmUtil.sm4(Base64.decode(sm4Key));
        byte[] sm4Encrypted = sm4.encrypt(data.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        String sm4EncryptedStr = Base64.encode(sm4Encrypted);

        SM2 sm2 = SmUtil.sm2(null, publicKey);
        byte[] sm2Encrypted = sm2.encrypt(sm4Key.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        String sm2EncryptedStr = Base64.encode(sm2Encrypted);

        System.out.println("采用SM4加密后的数据：" + sm4EncryptedStr);
        System.out.println("采用公钥加密后的SM4加密数据：" + sm2EncryptedStr);
        System.out.println("-------------end-------------\n");

        return Pair.of(sm2EncryptedStr, sm4EncryptedStr);
    }

    private static void decrypt(String sm2EncryptedStr, String sm4EncryptedStr) {
        System.out.println("------------开始解密-------------\n");

        SM2 sm2 = SmUtil.sm2(privateKey,null);
        byte[] sm4KeyDecrypted = sm2.decrypt(Base64.decode(sm2EncryptedStr));
        String sm4KeyStr = new String(sm4KeyDecrypted, StandardCharsets.UTF_8);

        SM4 sm4 = SmUtil.sm4(Base64.decode(sm4KeyStr));
        byte[] sm4Decrypted = sm4.decrypt(Base64.decode(sm4EncryptedStr));
        String sm4DecryptedStr = new String(sm4Decrypted, StandardCharsets.UTF_8);

        System.out.println("采用私钥解密后的SM4密钥：" + sm4KeyStr);
        System.out.println("采用SM4解密后的数据：" + sm4DecryptedStr);
        System.out.println("-------------end-------------\n");
    }

    /**
     * 生成密钥
     */
    private static void generateKey(){
        System.out.println("------------生成密钥-------------\n");
        // 生成默认的SM2秘钥
        SM2 sm2 = SmUtil.sm2();
        // 生成一个随机的16字节密钥，适用于SM4算法
        byte[] key = KeyUtil.generateKey(SM4.ALGORITHM_NAME, 128).getEncoded();
        // 将密钥转换为十六进制字符串
        String keyBase64 = Base64.encode(key);
        System.out.println("PrivateKey:"+ sm2.getPrivateKeyBase64());
        System.out.println("PublicKey:"+ sm2.getPublicKeyBase64());
        System.out.println("SM4 Key (Base64): " + keyBase64);
        System.out.println("-------------end-------------\n");
    }
}

执行结果

执行上述代码后，我们得到了以下的输出结果:

------------原始数据-------------

原始数据：
《送孟浩然之广陵》
　　唐·李白
故人西辞黄鹤楼，烟花三月下扬州。
孤帆远影碧空尽，惟见长江天际流。

-------------end-------------

------------开始加密-------------

采用SM4加密后的数据：tCzgDzESXSI6zhqjtkb+7SlFWtg6z8JuQn46wRYE2f17tpU6tJG6SbZpKnJ6JO7F6OtpqLa1JNqHw8ZuovK4quL/SCzKfXp3mPrM/CMK9BnrR9QdtBb+6ahm4tJhXIGZlFKinN1b9fha03DreZtP827oopLW5NTxTt8v0ebGdUcIwGARYI3rPVTwtml7T2AdMryo1wi3ExLNRQXEc0wJ4g==
采用公钥加密后的SM4加密数据：BKVW5b0CXohmsPcjKsL5BGf4NqvydiuVC11Sd22JWzqCbdc2IRrbldKeXUuSdM5YXn2eYOcLqGQKeGI1bw/5lNBHs4B6AKWqFvTNNshoHjDWJvJGoTuV8G79JBp/6kpAHtbIPmCyQNTMiuiza7DHWUeSEnsiJ8aimw==
-------------end-------------

------------开始解密-------------

采用私钥解密后的SM4密钥：MUtzaoxmu0dZ9wxMoXwFBw==
采用SM4解密后的数据：
《送孟浩然之广陵》
　　唐·李白
故人西辞黄鹤楼，烟花三月下扬州。
孤帆远影碧空尽，惟见长江天际流。

-------------end-------------

四、技术细节及原因

使用SM2加密SM4密钥：由于非对称加密比对称加密计算复杂度高，所以只用非对称加密来保护对称加密的密钥，从而确保了密钥的安全传输且提高了整体加密解密的速度。
选择SM4而非其他对称算法：SM4作为国产密码算法，具有较高的安全性，同时在国内应用中更加合规。
密钥长度与格式：SM4密钥必须是16字节（即128位），这是由该算法的要求决定的。另外，密钥通常会经过Base64编码以便于存储和传输。
编码与解码：在实际应用中，为了方便存储和传输，通常会对二进制数据进行Base64编码。在解密过程中，则需要先进行Base64解码再进行解密操作。

五、与RSA/AES的对比分析

在加密领域，不同的加密算法有着各自的特点和适用场景。以下是几种加密算法的一些比较：

安全性
- RSA vs. SM2：RSA的安全性依赖于大数因子分解问题的难度，而SM2则是基于椭圆曲线离散对数问题（ECDLP）。一般认为，在相同的安全级别下，椭圆曲线密码（如SM2）所需的密钥长度要小于RSA。例如，一个256位的椭圆曲线密钥提供的安全性大致相当于3072位的RSA密钥。因此，SM2在保持同等安全性的同时能够减少密钥管理的负担。
- AES vs. SM4：AES和SM4都是高级的对称加密算法，都提供了非常高的安全性。但是，由于SM4是中国国家标准，它可能更适应中国的政策法规要求，而AES在全球范围内都有广泛的应用和支持。
性能
- RSA vs. SM2：由于RSA处理的是较大的整数运算，因此在处理速度上通常不如SM2快。特别是在移动设备或资源受限的环境中，SM2因其较短的密钥长度而表现得更为优越。
- AES vs. SM4：就性能而言，SM4和AES在大多数情况下都非常接近，因为它们都设计为高效运行。然而，由于SM4是较新的标准，并且在中国得到特别优化，所以在某些特定硬件上，SM4可能会有更快的表现。
法规遵循
- 在中国市场，特别是在政府和关键基础设施领域，国密算法如SM2和SM4可能被强制要求使用，以符合国家安全标准和法规要求。这使得在这些环境中，即使RSA和AES可能在某些方面表现更好，也必须使用国密算法。
- 在国际市场上，RSA和AES是更普遍接受的标准。使用这些算法可以确保跨平台兼容性和全球范围内的互操作性。
密钥管理
- 非对称加密：无论是RSA还是SM2，非对称加密都涉及到公钥和私钥的管理。虽然这两者都提供了类似的功能，但SM2的密钥更短，可能更容易管理和分发。
- 对称加密：AES和SM4都需要安全地管理对称密钥。由于这些密钥较短，通常使用非对称加密算法（如RSA或SM2）来安全地交换对称密钥。
应用场景
- 在实际应用中，通常会使用一种混合加密方案，即使用非对称加密算法（如RSA或SM2）来加密对称密钥，然后使用这个对称密钥（如AES或SM4）来加密大量数据。这样的方案既保证了安全性又兼顾了效率。

六、总结

本文介绍了如何使用Java实现基于国密标准的SM2与SM4混合加密解密工具类。通过这种混合加密方式，可以在保证数据安全的同时，也考虑到了加密解密过程的效率问题。随着国密算法的广泛应用，这类工具将会在越来越多的应用场景中发挥重要作用。同时，我们也分析了这些国密算法与国际标准RSA/AES之间的异同，帮助开发者根据具体需求选择最适合的加密方案。