SM3加密与解密校验

2年前 (2022) 程序员胖胖胖虎阿

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SM3密码杂凑算法是中国国家密码管理局2010年公布的中国商用密码杂凑算法标准。具体算法标准原始文本参见参考文献[1]。该算法于2012年发布为密码行业标准(GM/T 0004-2012)，2016年发布为国家密码杂凑算法标准(GB/T 32905-2016)。

SM3适用于商用密码应用中的数字签名和验证，是在[SHA-256]基础上改进实现的一种算法，其安全性和SHA-256相当。SM3和MD5的迭代过程类似，也采用Merkle-Damgard结构。消息分组长度为512位，摘要值长度为256位。

整个算法的执行过程可以概括成四个步骤：消息填充、消息扩展、迭代压缩、输出结果。

SM3加密与解密校验

消息填充

SM3的消息扩展步骤是以512位的数据分组作为输入的。因此，我们需要在一开始就把数据长度填充至512位的倍数。数据填充规则和MD5一样，具体步骤如下：

1、先填充一个“1”，后面加上k个“0”。其中k是满足(n+1+k) mod 512 = 448的最小正整数。

2、追加64位的数据长度（bit为单位，大端序存放1。观察算法标准原文附录A运算示例可以推知。）

SM3加密与解密校验

消息扩展

SM3的迭代压缩步骤没有直接使用数据分组进行运算，而是使用这个步骤产生的132个消息字。（一个消息字的长度为32位/4个字节/8个16j进制数字）概括来说，先将一个512位数据分组划分为16个消息字，并且作为生成的132个消息字的前16个。再用这16个消息字递推生成剩余的116个消息字。
SM3加密与解密校验

迭代压缩

SM3的迭代过程和MD5类似，也是Merkle-Damgard结构。但和MD5不同的是，SM3使用消息扩展得到的消息字进行运算。这个迭代过程可以用这幅图表示：
SM3加密与解密校验
初值IV被放在A、B、C、D、E、F、G、H八个32位变量中，其具体数值参见参考文献[1]。整个算法中最核心、也最复杂的地方就在于压缩函数。压缩函数将这八个变量进行64轮相同的计算，一轮的计算过程如下图所示：
SM3加密与解密校验

图中不同的数据流向用不同颜色的箭头表示。

最后，再将计算完成的A、B、C、D、E、F、G、H和原来的A、B、C、D、E、F、G、H分别进行异或，就是压缩函数的输出。这个输出再作为下一次调用压缩函数时的初值。依次类推，直到用完最后一组132个消息字为止。

输出结果

将得到的A、B、C、D、E、F、G、H八个变量拼接输出，就是SM3算法的输出。
SM3加密与解密校验

JAVA实现SM3加密与校验

导入Maven依赖

<!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.bouncycastle/bcprov-jdk15on -->
<dependency>
    <groupId>org.bouncycastle</groupId>
    <artifactId>bcprov-jdk15on</artifactId>
    <version>1.70</version>
</dependency>

SM3Utils

private static final String ENCODING = "UTF-8";
    /**
     * 加密
     *
     * @param src 明文
     * @param key 密钥
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static String encrypt(String src, String key) throws Exception {
        return ByteUtils.toHexString(getEncryptByKey(src, key));
    }


    /**
     * SM3加密方式之： 根据自定义密钥进行加密，返回加密后长度为32位的16进制字符串
     *
     * @param src 源数据
     * @param key 密钥
     * @return 加密后长度为32位的16进制字符串
     * @throws Exception
     */
    public static byte[] getEncryptByKey(String src, String key) throws Exception {
        byte[] srcByte = src.getBytes(ENCODING);
        byte[] keyByte = key.getBytes(ENCODING);
        KeyParameter keyParameter = new KeyParameter(keyByte);
        SM3Digest sm3 = new SM3Digest();
        HMac hMac = new HMac(sm3);
        hMac.init(keyParameter);
        hMac.update(srcByte, 0, srcByte.length);
        byte[] result = new byte[hMac.getMacSize()];
        hMac.doFinal(result, 0);
        return result;
    }


    /**
     * 利用源数据+密钥校验与密文是否一致
     *
     * @param src       源数据
     * @param key       密钥
     * @param sm3HexStr 密文
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static boolean verify(String src, String key, String sm3HexStr) throws Exception {
        byte[] sm3HashCode = ByteUtils.fromHexString(sm3HexStr);
        byte[] newHashCode = getEncryptByKey(src, key);
        return Arrays.equals(newHashCode, sm3HashCode);
    }



    /**
     * SM3加密方式之：不提供密钥的方式 SM3加密，返回加密后长度为64位的16进制字符串
     *
     * @param src 明文
     * @return 加密后长度为64位的16进制字符串
     */
    public static String encrypt(String src) {
        return ByteUtils.toHexString(getEncryptBySrcByte(src.getBytes()));
    }

    /**
     * 返回长度为32位的加密后的byte数组
     *
     * @param srcByte
     * @return
     */
    public static byte[] getEncryptBySrcByte(byte[] srcByte) {
        SM3Digest sm3 = new SM3Digest();
        sm3.update(srcByte, 0, srcByte.length);
        byte[] encryptByte = new byte[sm3.getDigestSize()];
        sm3.doFinal(encryptByte, 0);
        return encryptByte;
    }


    /**
     * 校验源数据与加密数据是否一致
     *
     * @param src       源数据
     * @param sm3HexStr 16进制的加密数据
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static boolean verify(String src, String sm3HexStr) throws Exception {
        byte[] sm3HashCode = ByteUtils.fromHexString(sm3HexStr);
        byte[] newHashCode = getEncryptBySrcByte(src.getBytes(ENCODING));
        return Arrays.equals(newHashCode, sm3HashCode);
    }



public static void main(String[] args) throws Exception {
        String srcStr = "今天天气很晴朗";
        String key = "zjqzjq";
        // ******************************自定义密钥加密及校验*****************************************
        String hexStrByKey = SM3Utils.encrypt(srcStr, key);
        System.out.println("带密钥加密后的密文：" + hexStrByKey);

        System.out.println("明文(带密钥)与密文校验结果：" + SM3Utils.verify(srcStr, key, hexStrByKey));

        // ******************************无密钥的加密及校验******************************************
        String hexStrNoKey = SM3Utils.encrypt(srcStr);
        System.out.println("不带密钥加密后的密文：" + hexStrNoKey);

        System.out.println("明文(不带密钥)与密文校验结果：" + SM3Utils.verify(srcStr, hexStrNoKey));

    }

注：SM3算法的实现

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.math.BigInteger;
import java.util.Arrays;

import ltd.snowland.utils.NumberTool;
import ltd.snowland.utils.StreamTool;

/**
 * SM3杂凑算法实现
 * 
 * @author Potato
 *
 */
public class SM3 {

	private static char[] hexDigits = { '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', 'A', 'B', 'C', 'D', 'E',
			'F' };
	private static final String ivHexStr = "7380166f 4914b2b9 172442d7 da8a0600 a96f30bc 163138aa e38dee4d b0fb0e4e";
	private static final BigInteger IV = new BigInteger(ivHexStr.replaceAll(" ", ""), 16);
	private static final Integer Tj15 = Integer.valueOf("79cc4519", 16);
	private static final Integer Tj63 = Integer.valueOf("7a879d8a", 16);
	private static final byte[] FirstPadding = { (byte) 0x80 };
	private static final byte[] ZeroPadding = { (byte) 0x00 };

	private static int T(int j) {
		if (j >= 0 && j <= 15) {
			return Tj15.intValue();
		} else if (j >= 16 && j <= 63) {
			return Tj63.intValue();
		} else {
			throw new RuntimeException("data invalid");
		}
	}

	private static Integer FF(Integer x, Integer y, Integer z, int j) {
		if (j >= 0 && j <= 15) {
			return Integer.valueOf(x.intValue() ^ y.intValue() ^ z.intValue());
		} else if (j >= 16 && j <= 63) {
			return Integer.valueOf(
					(x.intValue() & y.intValue()) | (x.intValue() & z.intValue()) | (y.intValue() & z.intValue()));
		} else {
			throw new RuntimeException("data invalid");
		}
	}

	private static Integer GG(Integer x, Integer y, Integer z, int j) {
		if (j >= 0 && j <= 15) {
			return Integer.valueOf(x.intValue() ^ y.intValue() ^ z.intValue());
		} else if (j >= 16 && j <= 63) {
			return Integer.valueOf((x.intValue() & y.intValue()) | (~x.intValue() & z.intValue()));
		} else {
			throw new RuntimeException("data invalid");
		}
	}

	private static Integer P0(Integer x) {
		return Integer
				.valueOf(x.intValue() ^ Integer.rotateLeft(x.intValue(), 9) ^ Integer.rotateLeft(x.intValue(), 17));
	}

	private static Integer P1(Integer x) {
		return Integer
				.valueOf(x.intValue() ^ Integer.rotateLeft(x.intValue(), 15) ^ Integer.rotateLeft(x.intValue(), 23));
	}

	private static byte[] padding(byte[] source) throws IOException {
		if (source.length >= 0x2000000000000000l) {
			throw new RuntimeException("src data invalid.");
		}
		long l = source.length * 8;
		long k = 448 - (l + 1) % 512;
		if (k < 0) {
			k = k + 512;
		}
		ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
		baos.write(source);
		baos.write(FirstPadding);
		long i = k - 7;
		while (i > 0) {
			baos.write(ZeroPadding);
			i -= 8;
		}
		baos.write(long2bytes(l));
		return baos.toByteArray();
	}

	private static byte[] long2bytes(long l) {
		byte[] bytes = new byte[8];
		for (int i = 0; i < 8; i++) {
			bytes[i] = (byte) (l >>> ((7 - i) * 8));
		}
		return bytes;
	}

	public static byte[] hash(byte[] source) throws IOException {
		byte[] m1 = padding(source);
		int n = m1.length / (512 / 8);
		byte[] b;
		byte[] vi = IV.toByteArray();
		byte[] vi1 = null;
		for (int i = 0; i < n; i++) {
			b = Arrays.copyOfRange(m1, i * 64, (i + 1) * 64);
			vi1 = CF(vi, b);
			vi = vi1;
		}
		return vi1;
	}

	public static byte[] hash(String source) throws Exception {
		return hash(source.getBytes());
	}

	public static byte[] hash(File file) throws Exception {
		if (file.exists()) {
			InputStream inStream = new FileInputStream(file);
			return hash(StreamTool.readInputStream2ByteArray(inStream));
		} else {
			throw new FileNotFoundException();
		}
	}

	private static byte[] CF(byte[] vi, byte[] bi) throws IOException {
		int a, b, c, d, e, f, g, h;
		a = toInteger(vi, 0);
		b = toInteger(vi, 1);
		c = toInteger(vi, 2);
		d = toInteger(vi, 3);
		e = toInteger(vi, 4);
		f = toInteger(vi, 5);
		g = toInteger(vi, 6);
		h = toInteger(vi, 7);

		int[] w = new int[68];
		int[] w1 = new int[64];
		for (int i = 0; i < 16; i++) {
			w[i] = toInteger(bi, i);
		}
		for (int j = 16; j < 68; j++) {
			w[j] = P1(w[j - 16] ^ w[j - 9] ^ Integer.rotateLeft(w[j - 3], 15)) ^ Integer.rotateLeft(w[j - 13], 7)
					^ w[j - 6];
		}
		for (int j = 0; j < 64; j++) {
			w1[j] = w[j] ^ w[j + 4];
		}
		int ss1, ss2, tt1, tt2;
		for (int j = 0; j < 64; j++) {
			ss1 = Integer.rotateLeft(Integer.rotateLeft(a, 12) + e + Integer.rotateLeft(T(j), j), 7);
			ss2 = ss1 ^ Integer.rotateLeft(a, 12);
			tt1 = FF(a, b, c, j) + d + ss2 + w1[j];
			tt2 = GG(e, f, g, j) + h + ss1 + w[j];
			d = c;
			c = Integer.rotateLeft(b, 9);
			b = a;
			a = tt1;
			h = g;
			g = Integer.rotateLeft(f, 19);
			f = e;
			e = P0(tt2);
		}
		byte[] v = toByteArray(a, b, c, d, e, f, g, h);
		for (int i = 0; i < v.length; i++) {
			v[i] = (byte) (v[i] ^ vi[i]);
		}
		return v;
	}

	private static int toInteger(byte[] source, int index) {
		StringBuilder valueStr = new StringBuilder("");
		for (int i = 0; i < 4; i++) {
			valueStr.append(hexDigits[(byte) ((source[index * 4 + i] & 0xF0) >> 4)]);
			valueStr.append(hexDigits[(byte) (source[index * 4 + i] & 0x0F)]);
		}
		return Long.valueOf(valueStr.toString(), 16).intValue();

	}

	private static byte[] toByteArray(int a, int b, int c, int d, int e, int f, int g, int h) throws IOException {
		ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream(32);
		baos.write(toByteArray(a));
		baos.write(toByteArray(b));
		baos.write(toByteArray(c));
		baos.write(toByteArray(d));
		baos.write(toByteArray(e));
		baos.write(toByteArray(f));
		baos.write(toByteArray(g));
		baos.write(toByteArray(h));
		return baos.toByteArray();
	}

	public static byte[] toByteArray(int i) {
		byte[] byteArray = new byte[4];
		byteArray[0] = (byte) (i >>> 24);
		byteArray[1] = (byte) ((i & 0xFFFFFF) >>> 16);
		byteArray[2] = (byte) ((i & 0xFFFF) >>> 8);
		byteArray[3] = (byte) (i & 0xFF);
		return byteArray;
	}

	private static String byteToHexString(byte b) {
		int n = b;
		if (n < 0)
			n = 256 + n;
		int d1 = n / 16;
		int d2 = n % 16;
		return "" + hexDigits[d1] + hexDigits[d2];
	}

	public static String byteArrayToHexString(byte[] b) {
		StringBuffer resultSb = new StringBuffer();
		for (int i = 0; i < b.length; i++) {
			resultSb.append(byteToHexString(b[i]));
		}
		return resultSb.toString();
	}

	public static String hashHex(byte[] b) {
		try {
			return SM3.byteArrayToHexString(SM3.hash(b));
		} catch (IOException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		return null;
	}

	public static String hashHex(String str) {
		return hashHex(str.getBytes());
	}

	public static void main(String[] args) throws IOException {
		System.out.println(SM3.byteArrayToHexString(SM3.hash("abc".getBytes())));
	}
}