使用 Java Bouncy Castle实现国密算法SM4、SM3以及SM2的加密

àì夳堔傛蜴生んèń 2024-03-16 20:37 84阅读 0赞

国密算法的实现借助了Java库函数 Bouncy Castle，加密库安装使用教程请参考[链接][Link 1]

## SM4 ##

### 简介 ###

SM4，又称为商密算法，是一种分组密码算法，于2012年由中国密码技术研究中心（中国密码学会成员）发布，目前已成为我国国家密码算法，并在多个领域得到了广泛的应用。SM4算法采用了32轮迭代结构，密钥长度为128位，分组长度为128位，支持ECB、CBC等多种分组模式，在安全性、效率和适用性上都得到了良好的平衡。SM4算法具有高速度、高安全性、硬件实现简单等特点，可以在多种安全场景中使用，比如对称加密、消息认证码等方面。同时，SM4算法已经经过了严格的国际标准测试，成为ISO/IEC 18033-4标准。

**注意：代码加解密对象为文件，测试时请自行替换**

### 代码 ###

import javax.crypto.Cipher;
    import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
    import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
    import java.nio.file.Files;
    import java.nio.file.Paths;
    import java.nio.charset.StandardCharsets;
    import java.security.Security;
    
    import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
    
    public class SM4 {
        
        private static final String name="SM4";                               //算法名字
        private static final String transformation="SM4/CBC/PKCS5Padding";    //加密模式以及短快填充方式
        private static final String Default_iv="0123456789abcdef";            //加密使用的初始向量
    
    /**
     * 加载指定文件，对其进行加密，并将加密结果写入指定输出文件中
     * @param inputFile 要加密的输入文件路径
     * @param outputFile 加密后的输出文件路径
     * @param key 加密所需的密钥
     * @throws Exception 如果文件读取、加密或写入时出现错误，则抛出异常
     */
    private static void encodeFile(String inputFile, String outputFile, String key) throws Exception {
        
        // 读取输入文件中的所有字节
        byte [] inputBytes = Files.readAllBytes(Paths.get(inputFile));
        // 对输入字节数组进行加密
        byte [] encodeByte = encode(inputBytes, key.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        // 将加密后的字节数组写入指定输出文件中
        Files.write(Paths.get(outputFile),encodeByte);
        System.out.println("File encoded successfully.");
    }
        /**
         * 使用指定的加密算法和密钥对给定的字节数组进行加密
         * @param inputByte 要加密的字节数组
         * @param key 加密所需的密钥
         * @return 加密后的字节数组
         * @throws Exception 如果加密时发生错误，则抛出异常
         */
        public static byte [] encode(byte [] inputByte, byte [] key) throws Exception {
        
            // 获取加密实例
            Cipher c = Cipher.getInstance(transformation);
            // 根据密钥的字节数组创建 SecretKeySpec
            SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(key, name);
            // 创建 IvParameterSpec 对象，使用默认向量和字符集
            IvParameterSpec ivParameterSpec = new IvParameterSpec(Default_iv.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            // 初始化加密实例
            c.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKeySpec, ivParameterSpec);
            // 返回加密后的字节数组
            return c.doFinal(inputByte);
        }
    
        public static void decodeFile(String inputFilePath, String outputFilePath, String key) throws Exception {
        
            byte[] inputBytes = Files.readAllBytes(Paths.get(inputFilePath));
            byte[] decodeBytes = decode(inputBytes, key.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            Files.write(Paths.get(outputFilePath), decodeBytes);
            System.out.println("File decode successfully.");
        }
    
    
    
        private static byte[] decode(byte[] inputBytes, byte[] key) throws Exception {
        
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(transformation);
            SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(key, name);
            IvParameterSpec ivParameterSpec = new IvParameterSpec(Default_iv.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKeySpec, ivParameterSpec);
            return cipher.doFinal(inputBytes);
        }
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
        
            Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
            String inputFile="Test.txt";              //需要加密的文件
            String enFile="Encode.txt";               //加密后的文件
            String deFile="Decode.txt";               //解密后的文件
            String key="0123456789ABCDEF";            //加密密钥，注意必须是128bits，即16个字节
            encodeFile(inputFile,enFile,key);
            decodeFile(enFile,deFile,key);
    
    
        }
    }

### 结果（部分截图） ###

#### Test.txt ####

![Test.txt][]

#### Encode.txt ####

![Encode.txt][]

#### Decode.txt ####

![Decode.txt][]

## SM3 ##

### 简介 ###

SM3是一种国家密码算法，也称为商用密码算法，是我国的一种哈希函数，用于信息安全领域。它基于Merkle–Damgård结构，采用了与SHA-256类似的位操作，并且设计了一个可调节的消息扰动函数。SM3保证了生日攻击下的安全强度，并提供了碰撞和预图攻击的防护。

### 代码 ###

import org.bouncycastle.crypto.digests.SM3Digest;
    import org.bouncycastle.util.encoders.Hex;
    import java.io.IOException;
    import java.nio.file.Files;
    import java.nio.file.Paths;
    
    public class SM3Test {
        
        /**
         * 使用SM3算法计算给定输入的摘要值
         * @param inputBytes 要进行摘要计算的输入字符串
         * @return 给定输入的摘要值
         */
        private static byte[] calculateSM3Digest( byte [] inputBytes) {
        
            //创建 SM3Digest 对象
            SM3Digest digest = new SM3Digest();
            //将输入字符串转为字节数组，并使用该字节数组更新摘要对象的内部状态，以便进行计算
           // byte[] inputBytes = input.getBytes();
            digest.update(inputBytes, 0, inputBytes.length);
            //创建一个输出字节数组，调用 doFinal 方法完成哈希计算，并将结果存入输出数组
            byte[] output = new byte[digest.getDigestSize()];
            digest.doFinal(output, 0);
            //返回摘要字节数组
            return output;
        }
        public static void main(String[] args) {
        
            String filePath = "src/Test.java";
            try {
        
               
                byte [] inputBytes = Files.readAllBytes(Paths.get(filePath));
                byte[] digest = calculateSM3Digest(inputBytes);
                String hexDigest = Hex.toHexString(digest);
                System.out.println("SM3 Digest: " + hexDigest);
            } catch (IOException e) {
        
                System.out.println("An error occurred while reading the file: " + e.getMessage());
            }
        }
        
    }

### 结果 ###

![在这里插入图片描述][80414f6434c644c79d3832457866229e.png]

## SM2 ##

### 简介 ###

SM2是一种我国的国家密码算法，采用基于椭圆曲线密码学的公钥密码体制，在数字签名、密钥协商、密钥交换和公钥加密场景中可广泛使用。其密钥长度为256位，安全等级高于普遍采用的RSA或DSA算法。在SM2算法中，密钥交换、数字签名和公钥加密均采用同一种椭圆曲线和同一种哈希算法，具有自主知识产权、高效率和安全性高等特点。并且SM2算法已经成为国际标准ISO/IEC 14888-3并得到了广泛应用。

### 代码 ###

public class SM2 {
        
    
        public SM2(){
         }
        static {
          //加载BC驱动
            if (Security.getProvider(BouncyCastleProvider.PROVIDER_NAME) == null)
                new BouncyCastleProvider();
        }
    
        // 生成sm2密钥对
        public KeyPair createECKeyPair() {
        
            //使用标准名称创建EC参数生成的参数规范
            final ECGenParameterSpec sm2Spec = new ECGenParameterSpec("sm2p256v1");
    
            // 获取一个椭圆曲线类型的密钥对生成器
            final KeyPairGenerator kpg;
            try {
        
                kpg = KeyPairGenerator.getInstance("EC", new BouncyCastleProvider());
    // 使用SM2算法域参数集初始化密钥生成器（默认使用最高优先级安装的提供者的 SecureRandom 的实现作为随机源）
                // kpg.initialize(sm2Spec);
                // 使用SM2的算法域参数集和指定的随机源初始化密钥生成器
                kpg.initialize(sm2Spec, new SecureRandom());
                // 通过密钥生成器生成密钥对
                return kpg.generateKeyPair();
    
            } catch (Exception e) {
        
                e.printStackTrace();
                return null;
            }
        }
    
        /*
         *公钥加密
         * @param publicKey SM2公钥
         * @param data      明文数据
         * @param modeType  加密模式
         * @return          密文数据
         */
        public byte[] encode(String publicKeyHex, byte[] inputBytes, int modeType){
        
            //加密模式
            //
            BCECPublicKey publicKey = getECPublicKeyByPublicKeyHex(publicKeyHex);
            SM2Engine.Mode mode;
            if (modeType == 1) {
        //采用新模式加密标准
                mode = SM2Engine.Mode.C1C3C2;
            } else {
        //采用旧模式加密标准
                mode = SM2Engine.Mode.C1C2C3;
            }
            //通过公钥对象获取公钥的基本域参数。
            ECParameterSpec ecParameterSpec = publicKey.getParameters();
            ECDomainParameters ecDomainParameters = new ECDomainParameters(ecParameterSpec.getCurve(),
                    ecParameterSpec.getG(), ecParameterSpec.getN());
            //通过公钥值和公钥基本参数创建公钥参数对象
            ECPublicKeyParameters ecPublicKeyParameters = new ECPublicKeyParameters(publicKey.getQ(), ecDomainParameters);
            //根据加密模式实例化SM2公钥加密引擎
            SM2Engine sm2Engine = new SM2Engine(mode);
            //初始化加密引擎
            sm2Engine.init(true, new ParametersWithRandom(ecPublicKeyParameters, new SecureRandom()));
    
            byte[] arrayOfBytes = null;
            try {
        
                //通过加密引擎对字节数串行加密
                arrayOfBytes = sm2Engine.processBlock(inputBytes, 0, inputBytes.length);
            } catch (Exception e) {
        
                System.out.println("SM2加密时出现异常:" + e.getMessage());
                e.printStackTrace();
            }
            return arrayOfBytes;
        }
        /**
         * 私钥解密
         *
         * @param privateKeyHex  SM私钥
         * @param cipherBytes 密文数据
         * @param modeType 加密模式
         * @return           解密后的明文
         */
        public static byte[] decode(String privateKeyHex, byte[] cipherBytes, int modeType) {
        
            //解密模式
            SM2Engine.Mode mode;
            BCECPrivateKey privateKey = getBCECPrivateKeyByPrivateKeyHex(privateKeyHex);
            if (modeType == 1) {
        
                mode = SM2Engine.Mode.C1C3C2;
            } else {
        
                mode = SM2Engine.Mode.C1C2C3;
            }
    
            //通过私钥对象获取私钥的基本域参数。
            ECParameterSpec ecParameterSpec = privateKey.getParameters();
            ECDomainParameters ecDomainParameters = new ECDomainParameters(ecParameterSpec.getCurve(),
                    ecParameterSpec.getG(), ecParameterSpec.getN());
    
            //通过私钥值和私钥基本参数创建私钥参数对象
            ECPrivateKeyParameters ecPrivateKeyParameters = new ECPrivateKeyParameters(privateKey.getD(),
                    ecDomainParameters);
    
            //通过解密模式创建解密引擎并初始化
            SM2Engine sm2Engine = new SM2Engine(SM2Engine.Mode.C1C3C2);
            sm2Engine.init(false, ecPrivateKeyParameters);
    
            byte[] arrayOfBytes = null;
            try {
        
                //通过解密引擎对密文字节串进行解密
                arrayOfBytes = sm2Engine.processBlock(cipherBytes, 0, cipherBytes.length);
            } catch (Exception e) {
        
                System.out.println("SM2解密时出现异常" + e.getMessage());
            }
            return arrayOfBytes;
        }
    
    
        //椭圆曲线ECParameters ASN.1 结构
        private static X9ECParameters x9ECParameters = GMNamedCurves.getByName("sm2p256v1");
        //椭圆曲线公钥或私钥的基本域参数。
        private static ECParameterSpec ecDomainParameters = new ECParameterSpec(x9ECParameters.getCurve(), x9ECParameters.getG(), x9ECParameters.getN());
    
        /**
         * 公钥字符串转换为 BCECPublicKey 公钥对象
         *
         * @param pubKeyHex 64字节十六进制公钥字符串(如果公钥字符串为65字节首字节为0x04：表示该公钥为非压缩格式，操作时需要删除)
         * @return BCECPublicKey SM2公钥对象
         */
    
        public static BCECPublicKey getECPublicKeyByPublicKeyHex(String pubKeyHex) {
        
            //截取64字节有效的SM2公钥（如果公钥首字节为0x04）
            if (pubKeyHex.length() > 128) {
        
                pubKeyHex = pubKeyHex.substring(pubKeyHex.length() - 128);
            }
            //将公钥拆分为x,y分量（各32字节）
            String stringX = pubKeyHex.substring(0, 64);
            String stringY = pubKeyHex.substring(stringX.length());
            //将公钥x、y分量转换为BigInteger类型
            BigInteger x = new BigInteger(stringX, 16);
            BigInteger y = new BigInteger(stringY, 16);
            //通过公钥x、y分量创建椭圆曲线公钥规范
            ECPublicKeySpec ecPublicKeySpec = new ECPublicKeySpec(x9ECParameters.getCurve().createPoint(x, y), ecDomainParameters);
            //通过椭圆曲线公钥规范，创建出椭圆曲线公钥对象（可用于SM2加密及验签）
            return new BCECPublicKey("EC", ecPublicKeySpec, BouncyCastleProvider.CONFIGURATION);
        }
    
        /**
         * 私钥字符串转换为 BCECPrivateKey 私钥对象
         *
         * @param privateKeyHex: 32字节十六进制私钥字符串
         * @return BCECPrivateKey:SM2私钥对象
         */
        public static BCECPrivateKey getBCECPrivateKeyByPrivateKeyHex(String privateKeyHex) {
        
            //将十六进制私钥字符串转换为BigInteger对象
            BigInteger d = new BigInteger(privateKeyHex, 16);
            //通过私钥和私钥域参数集创建椭圆曲线私钥规范
            ECPrivateKeySpec ecPrivateKeySpec = new ECPrivateKeySpec(d, ecDomainParameters);
            //通过椭圆曲线私钥规范，创建出椭圆曲线私钥对象（可用于SM2解密和签名）
            return new BCECPrivateKey("EC", ecPrivateKeySpec, BouncyCastleProvider.CONFIGURATION);
        }
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
        
            String Sm4Key="0123456789abcdef";
            String sm2PublicKeyHex=null;
            String sm2PrivateKeyHex=null;
    
            SM2 sm2=new SM2();
            // 生成SM2密钥
            KeyPair keyPair = sm2.createECKeyPair();
            PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();
            PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
            if (publicKey instanceof BCECPublicKey){
        
                //获取65字节非压缩的十六进制公钥串(0x04)
                byte[] publicKeyBytes = ((BCECPublicKey) publicKey).getQ().getEncoded(false);
                sm2PublicKeyHex = Hex.toHexString(publicKeyBytes);
    
            }
            if (privateKey instanceof BCECPrivateKey) {
        
                //获取32字节十六进制私钥串
                sm2PrivateKeyHex = ((BCECPrivateKey) privateKey).getD().toString(16);
    
            }
            //Sm2加密密钥
            byte [] keyBytes=Sm4Key.getBytes("utf-8");
            byte[] encodeBytes = sm2.encode(sm2PublicKeyHex, keyBytes, 1);
            String encodeKey = Hex.toHexString(encodeBytes);
            //Sm2解密密钥
            byte [] decodeBytes=sm2.decode(sm2PrivateKeyHex,encodeBytes,1);
            String deKey=new String(decodeBytes,"utf-8");
            System.out.println("\ninitial key:"+Sm4Key+"\nencode key:"+encodeKey+"\ndecode key:"+deKey);
            System.out.println("complete!");
        }
    }

### 结果 ###

![SM2结果][SM2]

[Link 1]: https://blog.csdn.net/Rm_mR/article/details/131273760?csdn_share_tail=%7B%22type%22%3A%22blog%22%2C%22rType%22%3A%22article%22%2C%22rId%22%3A%22131273760%22%2C%22source%22%3A%22Rm_mR%22%7D
[Test.txt]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/29428ea183914a5bbc8ed620181f8330.png
[Encode.txt]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/e55614fbd6c0448c8ae4656ed75b75a5.png
[Decode.txt]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/5ccc0f2b2c464f5daa0d05f964143dc7.png
[80414f6434c644c79d3832457866229e.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/0a1d10db14f14966a3f4db56aae47587.png
[SM2]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/b78daa653a584420ab133f346c161701.png