SM4算法

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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：
1. 明文分组按 128 位拆分，最后一块补全；
2. 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；
3. 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

<!-- Maven 方式 -->
<!--  Bouncy Castle 开源加密库      -->
<dependency>
    <groupId>org.bouncycastle</groupId>
    <artifactId>bcprov-jdk15on</artifactId>
    <version>1.70</version>
</dependency>

<!-- Gradle 方式 -->
implementation 'org.bouncycastle:bcprov-jdk15on:1.70'

ECB模式

SM4Utils

 package com.isoftstone.cascade02.utils;


import org.apache.commons.codec.DecoderException;
import org.apache.commons.codec.binary.Hex;
import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;

import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.security.*;
import java.util.Base64;

/**
 * @Author：wk
 * @Slogan：无论风雨，和自己一决胜负吧
 * @Create：2025/12/5/18:16
 * @Description：SM4算法 ECB 模式
 * @Version：1.0
 */
public class SM4Utils {

    public final static String KEY = "4c73aae48f4d5edba3a365837904dbc8";

    private static final String ALGORITHM = "SM4";
    private static final String TRANSFORM  = "SM4/ECB/PKCS5Padding";


    static {
        Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
    }

    /** 生成 128-bit（16 字节）SM4 密钥，返回 Base64 字符串 */
    /*public static String generateKey() throws Exception {
        KeyGenerator kg = KeyGenerator.getInstance(ALGORITHM, "BC");
        kg.init(128, new SecureRandom());
        byte[] keyBytes = kg.generateKey().getEncoded();
        return Base64.getEncoder().encodeToString(keyBytes);
    }*/

    /** 生成UUID随机数，作为16进制密钥 */
    public static String generateKey() throws Exception {
        return CommonUtils.getUUID();
//        byte[] keyBytes = kg.generateKey().getEncoded();
//        return Base64.getEncoder().encodeToString(keyBytes);
    }

    /** 加密：明文 + Base64 密钥 → Base64 密文 */
    public static String encrypt(String plainText, String base64Key) {
        String encrypt = "";
        try {
            byte[] key = Hex.decodeHex(base64Key);
//        byte[] key = Base64.getDecoder().decode(base64Key);
            SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, ALGORITHM);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORM, "BC");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec);
            byte[] encrypted = cipher.doFinal(plainText.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            encrypt = Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted);
        } catch (DecoderException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchProviderException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchPaddingException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InvalidKeyException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalBlockSizeException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (BadPaddingException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return encrypt;
    }

    /** 解密：Base64 密文 + Base64 密钥 → 明文 */
    public static String decrypt(String base64Cipher, String base64Key) {
        String decrypt = "";
        try {
            byte[] key = Hex.decodeHex(base64Key);
//        byte[] key = Base64.getDecoder().decode(base64Key);
            SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, ALGORITHM);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORM, "BC");
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec);
            byte[] decrypted = cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(base64Cipher));
            decrypt = new String(decrypted, StandardCharsets.UTF_8);
        } catch (DecoderException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchProviderException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchPaddingException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InvalidKeyException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalBlockSizeException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (BadPaddingException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return decrypt;
    }

    /* ------ 简单测试 ------ */
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String plain = "你好，国密 SM4！";
        String key  = generateKey();
        String cipher = encrypt(plain, key);
        String result = decrypt(cipher, key);

        System.out.println("密钥 ：" + key);
        System.out.println("密钥 ：" + KEY);
        System.out.println("明文 ：" + plain);
        System.out.println("密文 ：" + cipher);
        System.out.println("解密 ：" + result);
    }

}

CBC模式

SM4IVUtils

package com.isoftstone.cascade02.utils;


import org.apache.commons.codec.DecoderException;
import org.apache.commons.codec.binary.Hex;
import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;

import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.security.*;
import java.util.Base64;

/**
 * @Author：wk
 * @Slogan：无论风雨，和自己一决胜负吧
 * @Create：2025/12/5/18:16
 * @Description：SM4 IV 算法
 * @Version：1.0
 */
public class SM4IVUtils {

    public final static String KEY = "4c73aae48f4d5edba3a365837904dbc8";

    private static final String ALGORITHM = "SM4";
    private static final String TRANSFORM  = "SM4/CBC/PKCS5Padding";

    static {
        Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
    }

    /** 生成 128-bit（16 字节）SM4 密钥，返回 Base64 字符串 */
    /*public static String generateKey() throws Exception {
        KeyGenerator kg = KeyGenerator.getInstance(ALGORITHM, "BC");
        kg.init(128, new SecureRandom());
        byte[] keyBytes = kg.generateKey().getEncoded();
        return Base64.getEncoder().encodeToString(keyBytes);
    }*/

    /** 生成UUID随机数，作为16进制密钥 */
    public static String generateKey() throws Exception {
        return CommonUtils.getUUID();
    }


    /** 生成 16 字节 IV */
    public static byte[] generateIV() {
        byte[] iv = new byte[16];
        new SecureRandom().nextBytes(iv);
        return iv;
    }

    /** 加密：返回 “Base64(IV) : Base64(密文)” 的拼接字符串 */
    public static String encrypt(String plainText, String base64Key){
        String encrypt = "";
        try {
            byte[] key = Hex.decodeHex(base64Key);
//        byte[] key = Base64.getDecoder().decode(base64Key);
            SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, ALGORITHM);

            byte[] iv  = generateIV();
            IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(iv);

            Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORM, "BC");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, ivSpec);
            byte[] cipherBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

            // 把 IV 和密文一起发出去
            String ivBase64     = Base64.getEncoder().encodeToString(iv);
            String cipherBase64 = Base64.getEncoder().encodeToString(cipherBytes);
            encrypt = ivBase64 + ":" + cipherBase64;
        } catch (DecoderException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchProviderException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchPaddingException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InvalidKeyException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InvalidAlgorithmParameterException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalBlockSizeException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (BadPaddingException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return encrypt;
    }

    /** 解密：传入 “Base64(IV) : Base64(密文)” 的拼接字符串 */
    public static String decrypt(String pack, String base64Key) {
        String decrypt = "";
        try {
            String[] parts = pack.split(":");
            if (parts.length != 2) throw new IllegalArgumentException("数据格式错误");
            byte[] key = Hex.decodeHex(base64Key);
//        byte[] key = Base64.getDecoder().decode(base64Key);
            SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, ALGORITHM);

            byte[] iv  = Base64.getDecoder().decode(parts[0]);
            byte[] cipherBytes = Base64.getDecoder().decode(parts[1]);

            Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORM, "BC");
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, new IvParameterSpec(iv));
            byte[] plainBytes = cipher.doFinal(cipherBytes);
            decrypt = new String(plainBytes, StandardCharsets.UTF_8);
        } catch (DecoderException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchProviderException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchPaddingException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InvalidKeyException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InvalidAlgorithmParameterException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalBlockSizeException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (BadPaddingException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return decrypt;
    }

    /* ------ 测试 ------ */
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String plain = "你好，国密 SM4-CBC！";
        String key   = generateKey();   // 复用上一篇的生成方法
        String pack  = encrypt(plain, KEY);
        String ret   = decrypt(pack, KEY);

        System.out.println("密钥 ：" + KEY);
        System.out.println("明文 ：" + plain);
        System.out.println("包   ：" + pack);
        System.out.println("解密 ：" + ret);
    }
}

无论风雨，和自己一决胜负吧

JAVA 使用国密 SM4 加解密

SM4算法

ECB模式

CBC模式

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