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JAVA 使用国密 SM4 加解密

骆熙华 1 小时前
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SM4算法

百度百科
中华人民共和国政府采用的分组密码标准
SM4.0（原名SMS4.0）是中华人民共和国国家密码管理局于2012年3月21日发布的分组密码标准，对应行业标准为GM/T 0002-2012，采用128位分组长度和128位密钥结构，加密过程基于32轮非线性迭代，并配置固定8比特输入8比特输出的S盒，主要应用于商用数据加密领域
在密码学领域，国密算法 SM4 是我国自主研发的分组对称加密算法，凭借 128 位分组长度、128 位密钥长度的设计，在金融、政务、物联网等领域广泛应用。但分组密码本身仅能处理固定长度（SM4 为 128 位）的明文数据，而现实中需要加密的文件、数据流、存储块等往往是任意长度的。为解决这一问题，“工作模式” 应运而生 —— 它相当于分组密码的 “应用框架”，定义了如何将固定长度的分组加密逻辑扩展到任意长度数据，同时兼顾安全性、性能与实际场景需求。SM4 的 8 种主流工作模式：ECB、CBC、CFB、OFB、CTR、GCM、CCM 与 XTS

本文简单介绍SM4以下常用的加解密模式

  • ECB模式（电子密码本）：工作原理：将明文分成固定长度的块（如SM4的16字节），每个块独立加密，互不影响。相同明文块会生成相同的密文块

    • 优点：ECB模块可以并行处理数据。
    • 缺点：同样原文生成同样的密文，并不能很好地保护数据。
    • 安全性：存在致命缺陷 —— 相同明文分组会生成相同密文分组。例如用 ECB 加密图片，若图片中有重复像素块（如背景），密文会呈现明显的 “块重复”，攻击者可通过统计分析还原明文结构，甚至篡改单个密文块（对应明文块也会被篡改，不影响其他块）；
    • 适用场景：仅用于加密 “短且唯一” 的数据（如密钥封装、固定标识），绝对禁止用于文件、数据流等大数据加密。

  • CBC模式（密码分组链接模式）：工作原理：通过 “链式关联” 解决 ECB 的关联性问题：

    • 明文分组按 128 位拆分，最后一块补全；
    • 第一个明文分组与 “初始化向量（IV）” 进行异或运算，再用 SM4 加密得到第一个密文分组；
    • 后续每个明文分组先与前一个密文分组异或，再加密，形成 “前密文影响后明文” 的链式结构。

  • CBC模式特点和应用

    • 安全性：相同明文分组因 “前密文异或” 的干扰，会生成不同密文，抵御统计分析攻击；但密文块被篡改后，会影响后续所有明文块的解密（链式传播）；
    • 性能：加密无法并行（需等待前一个密文块），解密可并行（已知密文块即可独立解密，再与前一个密文块异或）；
    • IV要求：需随机生成且唯一（无需保密），若 IV 重复，相同明文会生成相同密文；
    • 适用场景：文件加密、早期 SSL/TLS 协议（如 TLS 1.0）、IPsec VPN，适合对并行性要求不高的场景。

  • CFB模式：将分组密码转化为流密码
其余工作模式可参考博客：https://blog.csdn.net/openHiTLS/article/details/151288800
以下使用Bouncy Castle 开源加密库进行加解密
  1. <dependency>
  2.     <groupId>org.bouncycastle</groupId>
  3.     bcprov-jdk15on</artifactId>
  4.     <version>1.70</version>
  5. </dependency>
  8. implementation 'org.bouncycastle:bcprov-jdk15on:1.70'
复制代码
ECB模式

SM4Utils
  1.  package com.isoftstone.cascade02.utils;
  4. import org.apache.commons.codec.DecoderException;
  5. import org.apache.commons.codec.binary.Hex;
  6. import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
  8. import javax.crypto.*;
  9. import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
  10. import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
  11. import java.nio.charset.StandardCharsets;
  12. import java.security.*;
  13. import java.util.Base64;
  15. /**
  16. * @Author：wk
  17. * @Slogan：无论风雨，和自己一决胜负吧
  18. * @Create：2025/12/5/18:16
  19. * @Description：SM4算法 ECB 模式
  20. * @Version：1.0
  21. */
  22. public class SM4Utils {
  24.     public final static String KEY = "4c73aae48f4d5edba3a365837904dbc8";
  26.     private static final String ALGORITHM = "SM4";
  27.     private static final String TRANSFORM  = "SM4/ECB/PKCS5Padding";
  30.     static {
  31.         Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
  32.     }
  34.     /** 生成 128-bit（16 字节）SM4 密钥，返回 Base64 字符串 */
  35.     /*public static String generateKey() throws Exception {
  36.         KeyGenerator kg = KeyGenerator.getInstance(ALGORITHM, "BC");
  37.         kg.init(128, new SecureRandom());
  38.         byte[] keyBytes = kg.generateKey().getEncoded();
  39.         return Base64.getEncoder().encodeToString(keyBytes);
  40.     }*/
  42.     /** 生成UUID随机数，作为16进制密钥 */
  43.     public static String generateKey() throws Exception {
  44.         return CommonUtils.getUUID();
  45. //        byte[] keyBytes = kg.generateKey().getEncoded();
  46. //        return Base64.getEncoder().encodeToString(keyBytes);
  47.     }
  49.     /** 加密：明文 + Base64 密钥 → Base64 密文 */
  50.     public static String encrypt(String plainText, String base64Key) {
  51.         String encrypt = "";
  52.         try {
  53.             byte[] key = Hex.decodeHex(base64Key);
  54. //        byte[] key = Base64.getDecoder().decode(base64Key);
  55.             SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, ALGORITHM);
  56.             Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORM, "BC");
  57.             cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec);
  58.             byte[] encrypted = cipher.doFinal(plainText.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
  59.             encrypt = Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted);
  60.         } catch (DecoderException e) {
  61.             e.printStackTrace();
  62.         } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
  63.             e.printStackTrace();
  64.         } catch (NoSuchProviderException e) {
  65.             e.printStackTrace();
  66.         } catch (NoSuchPaddingException e) {
  67.             e.printStackTrace();
  68.         } catch (InvalidKeyException e) {
  69.             e.printStackTrace();
  70.         } catch (IllegalBlockSizeException e) {
  71.             e.printStackTrace();
  72.         } catch (BadPaddingException e) {
  73.             e.printStackTrace();
  74.         }
  75.         return encrypt;
  76.     }
  78.     /** 解密：Base64 密文 + Base64 密钥 → 明文 */
  79.     public static String decrypt(String base64Cipher, String base64Key) {
  80.         String decrypt = "";
  81.         try {
  82.             byte[] key = Hex.decodeHex(base64Key);
  83. //        byte[] key = Base64.getDecoder().decode(base64Key);
  84.             SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, ALGORITHM);
  85.             Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORM, "BC");
  86.             cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec);
  87.             byte[] decrypted = cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(base64Cipher));
  88.             decrypt = new String(decrypted, StandardCharsets.UTF_8);
  89.         } catch (DecoderException e) {
  90.             e.printStackTrace();
  91.         } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
  92.             e.printStackTrace();
  93.         } catch (NoSuchProviderException e) {
  94.             e.printStackTrace();
  95.         } catch (NoSuchPaddingException e) {
  96.             e.printStackTrace();
  97.         } catch (InvalidKeyException e) {
  98.             e.printStackTrace();
  99.         } catch (IllegalBlockSizeException e) {
  100.             e.printStackTrace();
  101.         } catch (BadPaddingException e) {
  102.             e.printStackTrace();
  103.         }
  104.         return decrypt;
  105.     }
  107.     /* ------ 简单测试 ------ */
  108.     public static void main(String[] args) throws Exception {
  109.         String plain = "你好，国密 SM4！";
  110.         String key  = generateKey();
  111.         String cipher = encrypt(plain, key);
  112.         String result = decrypt(cipher, key);
  114.         System.out.println("密钥 ：" + key);
  115.         System.out.println("密钥 ：" + KEY);
  116.         System.out.println("明文 ：" + plain);
  117.         System.out.println("密文 ：" + cipher);
  118.         System.out.println("解密 ：" + result);
  119.     }
  121. }
复制代码
CBC模式

SM4IVUtils
  1. package com.isoftstone.cascade02.utils;
  4. import org.apache.commons.codec.DecoderException;
  5. import org.apache.commons.codec.binary.Hex;
  6. import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
  8. import javax.crypto.*;
  9. import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
  10. import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
  11. import java.nio.charset.StandardCharsets;
  12. import java.security.*;
  13. import java.util.Base64;
  15. /**
  16. * @Author：wk
  17. * @Slogan：无论风雨，和自己一决胜负吧
  18. * @Create：2025/12/5/18:16
  19. * @Description：SM4 IV 算法
  20. * @Version：1.0
  21. */
  22. public class SM4IVUtils {
  24.     public final static String KEY = "4c73aae48f4d5edba3a365837904dbc8";
  26.     private static final String ALGORITHM = "SM4";
  27.     private static final String TRANSFORM  = "SM4/CBC/PKCS5Padding";
  29.     static {
  30.         Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
  31.     }
  33.     /** 生成 128-bit（16 字节）SM4 密钥，返回 Base64 字符串 */
  34.     /*public static String generateKey() throws Exception {
  35.         KeyGenerator kg = KeyGenerator.getInstance(ALGORITHM, "BC");
  36.         kg.init(128, new SecureRandom());
  37.         byte[] keyBytes = kg.generateKey().getEncoded();
  38.         return Base64.getEncoder().encodeToString(keyBytes);
  39.     }*/
  41.     /** 生成UUID随机数，作为16进制密钥 */
  42.     public static String generateKey() throws Exception {
  43.         return CommonUtils.getUUID();
  44.     }
  47.     /** 生成 16 字节 IV */
  48.     public static byte[] generateIV() {
  49.         byte[] iv = new byte[16];
  50.         new SecureRandom().nextBytes(iv);
  51.         return iv;
  52.     }
  54.     /** 加密：返回 “Base64(IV) : Base64(密文)” 的拼接字符串 */
  55.     public static String encrypt(String plainText, String base64Key){
  56.         String encrypt = "";
  57.         try {
  58.             byte[] key = Hex.decodeHex(base64Key);
  59. //        byte[] key = Base64.getDecoder().decode(base64Key);
  60.             SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, ALGORITHM);
  62.             byte[] iv  = generateIV();
  63.             IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(iv);
  65.             Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORM, "BC");
  66.             cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, ivSpec);
  67.             byte[] cipherBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
  69.             // 把 IV 和密文一起发出去
  70.             String ivBase64     = Base64.getEncoder().encodeToString(iv);
  71.             String cipherBase64 = Base64.getEncoder().encodeToString(cipherBytes);
  72.             encrypt = ivBase64 + ":" + cipherBase64;
  73.         } catch (DecoderException e) {
  74.             e.printStackTrace();
  75.         } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
  76.             e.printStackTrace();
  77.         } catch (NoSuchProviderException e) {
  78.             e.printStackTrace();
  79.         } catch (NoSuchPaddingException e) {
  80.             e.printStackTrace();
  81.         } catch (InvalidKeyException e) {
  82.             e.printStackTrace();
  83.         } catch (InvalidAlgorithmParameterException e) {
  84.             e.printStackTrace();
  85.         } catch (IllegalBlockSizeException e) {
  86.             e.printStackTrace();
  87.         } catch (BadPaddingException e) {
  88.             e.printStackTrace();
  89.         }
  90.         return encrypt;
  91.     }
  93.     /** 解密：传入 “Base64(IV) : Base64(密文)” 的拼接字符串 */
  94.     public static String decrypt(String pack, String base64Key) {
  95.         String decrypt = "";
  96.         try {
  97.             String[] parts = pack.split(":");
  98.             if (parts.length != 2) throw new IllegalArgumentException("数据格式错误");
  99.             byte[] key = Hex.decodeHex(base64Key);
  100. //        byte[] key = Base64.getDecoder().decode(base64Key);
  101.             SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, ALGORITHM);
  103.             byte[] iv  = Base64.getDecoder().decode(parts[0]);
  104.             byte[] cipherBytes = Base64.getDecoder().decode(parts[1]);
  106.             Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORM, "BC");
  107.             cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, new IvParameterSpec(iv));
  108.             byte[] plainBytes = cipher.doFinal(cipherBytes);
  109.             decrypt = new String(plainBytes, StandardCharsets.UTF_8);
  110.         } catch (DecoderException e) {
  111.             e.printStackTrace();
  112.         } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
  113.             e.printStackTrace();
  114.         } catch (NoSuchProviderException e) {
  115.             e.printStackTrace();
  116.         } catch (NoSuchPaddingException e) {
  117.             e.printStackTrace();
  118.         } catch (InvalidKeyException e) {
  119.             e.printStackTrace();
  120.         } catch (InvalidAlgorithmParameterException e) {
  121.             e.printStackTrace();
  122.         } catch (IllegalBlockSizeException e) {
  123.             e.printStackTrace();
  124.         } catch (BadPaddingException e) {
  125.             e.printStackTrace();
  126.         }
  127.         return decrypt;
  128.     }
  130.     /* ------ 测试 ------ */
  131.     public static void main(String[] args) throws Exception {
  132.         String plain = "你好，国密 SM4-CBC！";
  133.         String key   = generateKey();   // 复用上一篇的生成方法
  134.         String pack  = encrypt(plain, KEY);
  135.         String ret   = decrypt(pack, KEY);
  137.         System.out.println("密钥 ：" + KEY);
  138.         System.out.println("明文 ：" + plain);
  139.         System.out.println("包   ：" + pack);
  140.         System.out.println("解密 ：" + ret);
  141.     }
  142. }
复制代码
 

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骆熙华
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