国密算法：定义、应用与重要性
国密算法是指由中国国家密码管理局发布的密码算法标准，旨在保障国家信息安全。目前，国家密码管理局已发布了一系列国产商用密码标准算法，包括SM1（SCB2）、SM2、SM3、SM4、SM7、SM9以及祖冲之密码算法（ZUC)等。通过在金融、电子政务及安防等领域广泛应用国密算法，在对敏感数据进行机密性、完整性和可用性保护的同时，减少对外部密码产品的依赖，提升国家信息安全水平。
为什么需要国密算法？
国密算法的产生背景
在网络信息传输和存储过程中，数据的保密性和安全性是一项重要的需求。传统的国际标准加密算法虽然安全可靠，但由于无法保证源代码的安全性，因此存在着源代码被外部恶意攻击者渗透或篡改的风险。为了构建安全的行业网络环境并增强国家行业信息系统的“安全可控”能力，中国积极开展了针对信息安全需求的研究和探索。自2007年开始，中国制定了国密算法标准，并于2010年正式发布。
经过多年的发展、改进和完善，国密算法已成为中国自主研发的密码算法标准，并在各行业得到广泛应用。它的诞生不仅显著提升了中国在密码技术领域的核心竞争力，还为国家信息安全建设作出了重要贡献。
国密算法的特点
国密算法具备如下特点：
•安全性高：国密算法采用了严密的密码学原理和复杂的运算方式，具有较高的安全性。它在加密、数字签名和哈希等功能上都能提供可靠的保护，抵抗了各种传统和现代密码攻击手段。
•高效性与灵活性：国密算法在保证安全性的同时，注重算法的效率。它的加密速度和运行效率相对较高，同时也能适应不同的密码长度和密钥长度，以满足不同场景的需求。
•标准化广泛：国密算法已被国家标准化机构认可和采用。它符合国际密码学标准的基本要求，具备与国际算法相媲美的能力。同时，国密算法也在国内推广和应用广泛，成为中国信息安全领域的基础核心算法之一。
•自主创新：国密算法是中国自主研发的密码算法，所以对于算法的实现和推广都具有独立的掌控能力。这意味着中国可以更好地保护自己的国家信息安全，减少对外依赖，提高自主抵抗能力。
•面向多领域应用：国密算法不仅局限于某个特定领域的应用，它适用于金融业、电子商务、通信、物联网、区块链等不同领域的信息安全保护。它的广泛应用范围使得国密算法可以满足不同行业的安全需求。
国密算法如何工作？
国密算法包括SM1（SCB2）、SM2、SM3、SM4、SM7、SM9以及祖冲之密码算法（ZUC)等。其中，SM1、SM4、SM7、祖冲之密码（ZUC）属于对称算法；SM2、SM9属于非对称算法；SM3属于杂凑算法。
下文将主要介绍国密算法中的常用算法SM1、SM2、SM3和SM4的实现和应用。
SM1算法的实现和应用
SM1算法是国密算法中的一种对称加密算法，其特点是加解密使用相同密钥。利用SM1对称加密算法加解密数据的过程。
SM1算法未公开，仅以IP核（Intellectual Property Core，一种预先做好的集成电路功能模块）的形式存在于芯片中。SM1算法主要用于小数据量的加密保护，因此被广泛用于研制智能IC卡、智能密码钥匙、门禁卡、加密卡等安全产品。
SM2算法的实现和应用
SM2算法是基于ECC（Elliptic Curve Cryptography）椭圆曲线的非对称加密算法，包括了SM2-1椭圆曲线数字签名算法、SM2-2椭圆曲线密钥交换协议和SM2-3椭圆曲线公钥加密算法，分别用于实现数字签名、密钥协商和数据加密等功能。
SM2算法在许多领域都有广泛的应用。在电子商务领域，SM2算法被用于保护用户个人信息的安全传输，确保用户在网上交易过程中的隐私和财产的安全。在互联网金融领域，SM2算法被用于数字支付、电子银行等场景，实现用户身份认证和交易的安全性。此外，SM2算法还适用于物联网领域，保护物联网设备之间的通信安全，确保数据的可靠传输。
数据加密
在非对称加密算法中，可对外公布的密钥称为“公钥”，只有持有者所知的密钥称为“私钥”。发送者使用接收者的公钥来加密消息，接收者用自己的私钥解密和读取该消息。
利用SM2非对称加密算法加解密数据的过程。
密钥协商
由于椭圆曲线的计算复杂性高，破解难度大，因此SM2算法在密钥协商技术领域也起着关键作用。利用SM2算法进行密钥协商的过程。
(1) 会话双方生成自己的私钥（随机数）。
(2) 会话双方由私钥、ECC椭圆曲线参数G各自计算出公钥。
(3) 会话双方将自己的公钥传递给对方，传递过程公开。由于椭圆曲线的计算复杂性高，破解难度大，因此攻击者难以通过公钥和椭圆曲线参数G反推出私钥。
(4) 双方将自己的私钥与对方的公钥进行运算，最终得到相同的会话密钥，该会话密钥可作为共享密钥用于对称加密（例如SM4算法）通信。
数字签名
数字签名是一种用于验证信息完整性、真实性和来源的技术手段。它通常用于确保数据在传输或存储过程中没有被篡改，并且可以追溯到特定的发送方。发送方使用自己的私钥对消息进行加密，生成数字签名。接收方使用发送方的公钥对签名进行解密和验证，以验证消息的完整性和真实性。
在数字签名应用中，SM2算法通常与SM3摘要算法一起使用。
SM3算法的实现和应用
SM3杂凑（Hashing）算法是国密算法中的一种摘要算法。SM3算法通过哈希函数将任意长度的消息压缩成固定长度的摘要。摘要具有唯一性，即不同信息生成的摘要不同，且无法由摘要恢复出原始信息，更无法伪造信息获得相同摘要，因此SM3算法被广泛用于实现数字签名、数据完整性检测及消息验证等功能。
基于SM3算法的特点，在信息安全领域，SM3算法被用于保护密码学协议、数字证书和电子签名等数据的完整性。在区块链领域，SM3算法被用于加密货币的区块生成和链上交易的校验，确保区块链的安全性。此外，SM3算法还可以应用于密码学随机数的生成和伪随机序列的校验等领域，增加了数据的安全性和可靠性。
利用SM2算法和SM3算法对用户数据进行数字签名认证及完整性校验的过程。
(1) 用户A发送的数据A经过SM3哈希算法运算生成摘要A。
(2) 摘要A经过用户A的私钥加密生成数字签名。
(3) 用户A的明文数据和数字签名经加密算法（SM1/SM2/SM4）加密成密文后发送给用户B。加密算法以非对称加密算法SM2为例，即加解密使用不同密钥。
(4) 密文到达用户B处，经加密算法（SM1/SM2/SM4）解密后，还原成明文数据和数字签名。
(5) 用户B使用用户A的公钥解密数据包中的数字签名：
ο解密成功，数据来源合法，得到摘要A；
ο解密失败，数据来源非用户A，丢弃本次数据。
(6) 收到的数据包中的明文数据经过SM3哈希运算生成摘要A’。对比摘要A和摘要A’：
ο摘要A’＝摘要A，数据完整；
ο摘要A’≠摘要A，数据被篡改，丢弃本次数据。
SM4算法的实现和应用
与SM1算法分类相同，SM4算法同样为分组对称加密算法，但SM4算法实现公开。
分组加密算法是将明文数据按固定长度进行分组，用同一密钥逐组加密，密文解密时同样使用相同密钥逐组解密。SM4算法实现简单，因此加解密速度较快，消耗资源少，主要用于大数据量的加密和解密，例如静态储存或数据信号传输通道中数据的加解密。
在网络安全领域，SM4算法被用于保护网络传输和存储的敏感数据，如银行卡信息、密码等。在物联网领域，SM4算法被用于物联网设备之间的通信和数据加密，确保物联网数据的隐私安全。此外，SM4算法还可以应用于区块链领域，保护加密货币的交易安全等领域，为相关系统和数据的安全提供了保障。
加解密模式
SM4算法支持ECB、CBC、CFB等多种分组模式，下文将介绍ECB和CBC两种基础模式。
•ECB模式
SM4算法基于ECB模式对数据加解密的过程。
(1) 发送端将明文按固定长度分组，对每个明文分组分别使用相同的密钥进行加密生成密文分组。完整的密文由所有密文分组按序排列组合而成。
(2) 接收端将密文按固定长度分组，对每个密文分组分别使用相同的密钥进行解密生成明文分组。所有明文分组按序排列组合而成完整的明文数据。
ECB模式实现简单，各段数据间互不影响，有利于并行运算，但相同的明文块会被加密成相同的密文块，不能提供严格的数据保密性。
-
CBC模式
SM4算法基于CBC模式对明文加密的过程。
(1) 将明文按固定长度分组。
(2) 明文分组1与初始向量IV进行异或运算，异或运算的结果经密钥加密后得到密文分组1。
(3) 剩余的明文分组依次与前一个密文分组进行异或运算后再加密，得到对应的密文分组。
(4) 完整的密文由所有密文分组按序排列组合而成。
SM4算法基于CBC模式对密文解密的过程。
(1) 将密文按固定长度分组后，对密文分组进行倒序处理。
(2) 对密文分组n先使用密钥进行解密，密文分组n解密后的数据与密文分组n-1进行逻辑逆运算，得到明文分组n。
(3) 同理，剩余的密文分组解密后再与前一个密文分组进行逻辑逆运算，得到对应的明文分组。
(4) 最后，密文分组1用密钥解密后的数据是与初始向量进行逻辑逆运算，然后得到明文分组1。
(5) 完整的明文由所有明文分组按序排列组合而成。
CBC模式安全性高于ECB，但明文块不能并行计算，且误差会传递下去。
国密算法与国际标准算法的对比
国密算法和国际标准算法都是现代密码学中常用的加密算法，但在技术和优劣方面存在一些区别。常见国密算法与国际标准算法各参数性能的对比如下：
| 对比项 |
DES算法 |
AES算法 |
SM1算法 |
SM4算法 |
| 计算结构 |
难，基于标准的算数和逻辑运算，不含非线性变换 |
极难，基于字节代换、行代换等，不含非线性变换 |
未公开 |
极难，基于基本轮函数+迭代，含非线性变换 |
| 分组长度 |
64位 |
128位 |
128位 |
128位 |
| 密钥长度 |
64位（3DES为128位） |
128/192/256位 |
128位 |
128位 |
| 计算轮次 |
16轮（3DES为48轮） |
20/12/14轮 |
未公开 |
32轮 |
| 安全性 |
较低（3DES较高） |
较高 |
与AES相当 |
较高 |
| 对比项 |
RSA算法 |
SM2算法 |
| 计算结构 |
难，基于可逆幂模运算 |
极难，基于椭圆曲线上点群离散对数难题 |
| 计算复杂度 |
亚指数级 |
完全指数级 |
| 密钥长度（相同安全性能下） |
较长 |
较短 |
| 密钥生成速度 |
慢 |
较RAS算法快百倍以上 |
| 安全性 |
一般 |
较高 |
| 对比项 |
SHA1算法 |
SHA256算法 |
SM3算法 |
| 计算结构 |
函数结构类似，但SM3算法设计更复杂 |
||
| 摘要长度 |
160位 |
256位 |
256位 |
| 运算速度 |
较快 |
略低于SHA1 |
略低于SHA1 |
| 安全性 |
一般 |
较高 |
高于SHA256 |
国密算法的典型应用场景有哪些？
AD-WAN纵向IP/MPLS组网
国密算法可以与AD-WAN技术结合，应用于IP/MPLS纵向网场景。通过AD-WAN智能运维平台，实现国密配置一键下发，在网络中构建国密数据加密通道，实现基于国密的端到端的IPsec隧道保护。
国密算法在端到端的IPsec隧道中的工作原理如下：
(1) 在IKE密钥协商阶段，使用IKE协议进行密钥协商过程中，采用SM2算法生成会话密钥。
(2) 在身份认证阶段，本端使用SM2和SM3算法生成身份信息的数字签名，并使用SM1或SM4算法和会话密钥对身份信息和数字签名进行加密；对端收到加密的身份信息后，使用相同的会话密钥解密，然后通过SM2和SM3算法进行身份认证。
(3) 在数据传输阶段，本端使用SM2和SM3算法生成用户数据的数字签名，并使用SM1或SM4算法以及会话密钥对用户数据和数字签名进行加密；对端收到加密的用户数据后，使用相同的会话密钥解密，然后通过SM2和SM3算法进行数据完整性检查。
4G/5G VPDN业务组网
4G/5G VPDN（Virtual Private Dialup Network，虚拟专有拨号网络）业务是在4G/5G无线网络中采用拨号方式实现的一种虚拟专有网络业务。它利用L2TP技术为客户构建与互联网隔离的隧道，以满足客户分支和总部内网通信的需求。VPDN组网同时支持将L2TP和IPsec技术结合，通过L2TP完成用户认证确保接入安全，并利用IPsec保障通信数据安全。
(1) 4G/5G VPDN组网中分支网关由4G/5G路由设备担任，通过拨号接入运营商网络。
(2) 运营商对4G/5G路由设备的APN（Access Point Name，接入点名称）、账户、SIM/USIM卡信息进行认证。
(3) 4G/5G路由设备认证通过后被运营商判断是VPDN用户，同时由运营商AAA服务器向LAC（L2TP Access Concentrator，L2TP访问集中器）设备下发L2TP隧道属性，LAC设备将基于下发的L2TP隧道属性信息向该VPDN用户所属总部的LNS（L2TP Network Server，L2TP网络服务器）设备发起隧道建立请求。
(4) L2TP隧道建立后，LAC设备会通过此隧道向LNS设备透传用户的认证信息。LNS设备向总部内网的AAA服务器发起对VPDN用户的二次认证，认证通过后为VPDN用户分配一个企业内网IP地址。分支终端用户和总部可以开始通信。
(5) 分支网关与总部网关设备上均安装有国密板卡，通过IPsec协商建立起端到端的IPsec隧道，使用国密算法对传输的数据报文进行加密保护和数据完整性检查。
(6) 经IPsec加密后的数据报文在LAC设备处进行L2TP封装后，通过L2TP隧道传输到LNS。
(7) LNS收到数据报文后首先对L2TP报文进行解封装，然后经过IPsec解密还原出数据报文，根据报文目的IP地址转发报文。
