java實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)sm4加密算法

更新時(shí)間：2020年12月29日 17:23:53 作者：經(jīng)典雞翅

這篇文章主要介紹了java實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)sm4加密算法的步驟，幫助大家更好的理解和使用Java，感興趣的朋友可以了解下

前言

今天給大家?guī)硪粋€(gè)國(guó)產(chǎn)SM4加密解密算法的java后端解決方案，代碼完整，可以直接使用，希望給大家?guī)韼椭?，尤其是做政府系統(tǒng)的開發(fā)人員，可以直接應(yīng)用到項(xiàng)目中進(jìn)行加密解密。
畫重點(diǎn)！是SM4哦，不是SM。哈哈，各位要在知識(shí)里遨游，不要想歪。正文開始~

國(guó)產(chǎn)SM4加密解密算法概念介紹

SMS4算法是在國(guó)內(nèi)廣泛使用的WAPI無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中使用的加密算法，是一種32輪的迭代非平衡Feistel結(jié)構(gòu)的分組加密算法，其密鑰長(zhǎng)度和分組長(zhǎng)度均為128。SMS4算法的加解密過程中使用的算法是完全相同的，唯一不同點(diǎn)在于該算法的解密密鑰是由它的加密密鑰進(jìn)行逆序變換后得到的。
SMS4分組加密算法是中國(guó)無線標(biāo)準(zhǔn)中使用的分組加密算法，在2012年已經(jīng)被國(guó)家商用密碼管理局確定為國(guó)家密碼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)GM/T 0002-2012并且改名為SM4算法，與SM2橢圓曲線公鑰密碼算法，SM3密碼雜湊算法共同作為國(guó)家密碼的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在我國(guó)密碼行業(yè)中有著極其重要的位置。
SMS4算法的分組長(zhǎng)度為128bit，密鑰長(zhǎng)度也是128bit。加解密算法均采用32輪非平衡Feistel迭代結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)最先出現(xiàn)在分組密碼LOKI的密鑰擴(kuò)展算法中。SMS4通過32輪非線性迭代后加上一個(gè)反序變換，這樣只需要解密密鑰是加密密鑰的逆序，就能使得解密算法與加密算法保持一致。SMS4加解密算法的結(jié)構(gòu)完全相同，只是在使用輪密鑰時(shí)解密密鑰是加密密鑰的逆序。
S盒是一種利用非線性變換構(gòu)造的分組密碼的一個(gè)組件，主要是為了實(shí)現(xiàn)分組密碼過程中的混淆的特性和設(shè)計(jì)的。SMS4算法中的S盒在設(shè)計(jì)之初完全按照歐美分組密碼的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，它采用的方法是能夠很好抵抗差值攻擊的仿射函數(shù)逆映射復(fù)合法。

SM4加密算法應(yīng)用場(chǎng)景

SM4常用于政府系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸加密，比如當(dāng)我們前端向后臺(tái)傳參數(shù)的時(shí)候，可以使用此算法。對(duì)參數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，然后后臺(tái)對(duì)加密的數(shù)據(jù)進(jìn)行解密再存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，保證數(shù)據(jù)傳輸過程中，不受泄露。
本次提供的方案不僅提供sm4的加密解密，還提供了md5算法的完整性防篡改校驗(yàn)。

Java端解決方案

對(duì)于java端，我們使用的基于spring的aop切面和自定義注解來實(shí)現(xiàn)。整體思路為，當(dāng)后臺(tái)開啟加密解密的時(shí)候，針對(duì)于打上注解的方法，尋找實(shí)體類中打上注解的字段進(jìn)行加密和解密。再?gòu)那岸藗鬟f請(qǐng)求的request中取出md5的header，進(jìn)行md5的完整性，防篡改校驗(yàn)。

首先我們必須說的是兩個(gè)工具類，一個(gè)是SM4Utils工具類，另一個(gè)則是md5工具類。
下面先來說一下SM4Utils。這個(gè)工具類用于SM4算法的加密和解密及密碼校驗(yàn)。我們先直接看代碼，然后后面對(duì)此進(jìn)行解釋。

SM4Utils

public class Sm4Utils {

  private static final String ENCODING = "UTF-8";
  public static final String ALGORIGTHM_NAME = "SM4";
  public static final String ALGORITHM_NAME_ECB_PADDING = "SM4/ECB/PKCS7Padding";
  public static final int DEFAULT_KEY_SIZE = 128;

  public Sm4Utils() {
  }

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

  /**
   * @Description:生成ecb暗號(hào)
   */
  private static Cipher generateEcbCipher(String algorithmName, int mode, byte[] key) throws Exception {
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(algorithmName,BouncyCastleProvider.PROVIDER_NAME);
    Key sm4Key = new SecretKeySpec(key, ALGORIGTHM_NAME);
    cipher.init(mode, sm4Key);
    return cipher;
  }

  /**
   * @Description:自動(dòng)生成密鑰
   */
  public static byte[] generateKey() throws Exception {
    return generateKey(DEFAULT_KEY_SIZE);
  }

  public static byte[] generateKey(int keySize) throws Exception {
    KeyGenerator kg = KeyGenerator.getInstance(ALGORIGTHM_NAME, BouncyCastleProvider.PROVIDER_NAME);
    kg.init(keySize, new SecureRandom());
    return kg.generateKey().getEncoded();
  }


  /**
   * @Description:加密
   */
  public static String encryptEcb(String hexKey, String paramStr, String charset) throws Exception {
    String cipherText = "";
    if (null != paramStr && !"".equals(paramStr)) {
      byte[] keyData = ByteUtils.fromHexString(hexKey);
      charset = charset.trim();
      if (charset.length() <= 0) {
        charset = ENCODING;
      }
      byte[] srcData = paramStr.getBytes(charset);
      byte[] cipherArray = encrypt_Ecb_Padding(keyData, srcData);
      cipherText = ByteUtils.toHexString(cipherArray);
    }
    return cipherText;
  }

  /**
   * @Description:加密模式之ecb
   */
  public static byte[] encrypt_Ecb_Padding(byte[] key, byte[] data) throws Exception {
    Cipher cipher = generateEcbCipher(ALGORITHM_NAME_ECB_PADDING, Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
    byte[] bs = cipher.doFinal(data);
    return bs;
  }

  /**
   * @Description:sm4解密
   */
  public static String decryptEcb(String hexKey, String cipherText, String charset) throws Exception {
    String decryptStr = "";
    byte[] keyData = ByteUtils.fromHexString(hexKey);
    byte[] cipherData = ByteUtils.fromHexString(cipherText);
    byte[] srcData = decrypt_Ecb_Padding(keyData, cipherData);
    charset = charset.trim();
    if (charset.length() <= 0) {
      charset = ENCODING;
    }
    decryptStr = new String(srcData, charset);
    return decryptStr;
  }

  /**
   * @Description:解密
   */
  public static byte[] decrypt_Ecb_Padding(byte[] key, byte[] cipherText) throws Exception {
    Cipher cipher = generateEcbCipher(ALGORITHM_NAME_ECB_PADDING, Cipher.DECRYPT_MODE, key);
    return cipher.doFinal(cipherText);
  }

  /**
   * @Description:密碼校驗(yàn)
   */
  public static boolean verifyEcb(String hexKey,String cipherText,String paramStr) throws Exception {
    boolean flag = false;
    byte[] keyData = ByteUtils.fromHexString(hexKey);
    byte[] cipherData = ByteUtils.fromHexString(cipherText);
    byte[] decryptData = decrypt_Ecb_Padding(keyData,cipherData);
    byte[] srcData = paramStr.getBytes(ENCODING);
    flag = Arrays.equals(decryptData,srcData);
    return flag;
  }

  /**
   * @Description:測(cè)試類
  */
  public static void main(String[] args) {
    try {
      String json = "{\"name\":\"color\",\"sex\":\"man\"}";
      // 自定義的32位16進(jìn)制密鑰
      String key = "cc9368581322479ebf3e79348a2757d9";
      String cipher = Sm4Utils.encryptEcb(key, json,ENCODING);
      System.out.println(cipher);
      System.out.println(Sm4Utils.verifyEcb(key, cipher, json));
      json = Sm4Utils.decryptEcb(key, cipher,ENCODING);
      System.out.println(json);
    } catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }

}

我們來仔細(xì)看一下上面的代碼，首先定義了個(gè)4個(gè)靜態(tài)不可修改都變量，用于下方方法的使用。包括編碼utf-8，密碼名稱sm4，密碼的分組方式SM4/ECB/PKCS7Padding和默認(rèn)的key值長(zhǎng)度128。
整體的方法我們分為生成ecb暗號(hào)，自動(dòng)生成密鑰，加密，解密，密碼校驗(yàn)的算法。
以上為sm4utils的核心代碼。

MD5Utils

/**
 * @Description:md5加密工具
 */
public class Md5Utils {

  /**
   * @Description:獲得md5加密串
   */
  public static String getMD5String(String str) {
    try {
      MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
      md.update(str.getBytes());
      return new BigInteger(1, md.digest()).toString(16);
    } catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
      return null;
    }
  }
}

MD5Utils主要用于對(duì)參數(shù)的完整性校驗(yàn)，防止篡改。

此時(shí)我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了主要的加密解密工具，接下來實(shí)現(xiàn)spring的aop自定義注解，自定義注解我們要實(shí)現(xiàn)三個(gè)。
第一個(gè)是加密注解，用于方法上的，表示該方法的參數(shù)需要被加密。
第二個(gè)是解密注解，用于方法上的，表示該方法的參數(shù)需要被解密。
第三個(gè)是字段加密解密注解，用于標(biāo)識(shí)實(shí)體類的字段是否需要被加密和解密。

加密的自定義注解

@Documented
@Target({ElementType.METHOD})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Order(-2147483648)
public @interface EncryptMethod {
}

可以看到此時(shí)打了一個(gè)order注解，-2147483648用于標(biāo)識(shí)優(yōu)先級(jí)最高。

解密的自定義注解

@Target({ElementType.METHOD, ElementType.TYPE})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
@Order(-2147483648)
@Inherited
public @interface DecryptMethod {
}

加密解密字段的自定義注解

@Documented
@Target({ElementType.FIELD})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Order(-2147483648)
public @interface EncryptField {
}

注解的準(zhǔn)備工作已經(jīng)做完，接下來就是實(shí)現(xiàn)sm4的切面方法。不了解spring的aop的實(shí)現(xiàn)方法，可以去先補(bǔ)一下spring的相關(guān)知識(shí)，這里不做贅述。我們這里采用的切面都是環(huán)繞通知，切面的切點(diǎn)是加密解密的注解。

加密解密切面的實(shí)現(xiàn)

說一下切面的答題實(shí)現(xiàn)思路。我們可以看到@ConditionalOnProperty(prefix = "sm4", value = "enable", matchIfMissing = false)，這個(gè)我們做成了根據(jù)配置文件的配置進(jìn)行動(dòng)態(tài)的開關(guān)。
我們?cè)赼ppication.yml文件中進(jìn)行如下的配置。這樣切面是否生效就取決于配置。然后我們捕捉加密的注解和解密的注解，然后對(duì)加了注解的方法中的邏輯進(jìn)行加密和解密。
下方代碼的切點(diǎn)方法為EncryptAOPCut和DecryptAOPCut。隨后通過around對(duì)切點(diǎn)進(jìn)行捕捉。分別調(diào)用的核心的加密算法encryptMethodAop和解密算法decryptMethodAop。

sm4:
 enable: true

核心的加密解密算法都是使用環(huán)繞通知的ProceedingJoinPoint類，從他的對(duì)象中我們可以取到spring的各種參數(shù)，包括request請(qǐng)求，請(qǐng)求的參數(shù)和response對(duì)象。

/**
 * @Description:sm4加密解密切面
 */
@Order(-2147483648)
@Aspect
@Component
@ConditionalOnProperty(prefix = "sm4", value = "enable", matchIfMissing = false)
public class Sm4Aspect {

  private Logger log = LoggerFactory.getLogger(Sm4Aspect.class);
  private static final String DEFAULT_KEY = "cc9368581322479ebf3e79348a2757d9";

  public Sm4Aspect() {
  }

  @Pointcut("@annotation(com.jichi.aop.sm4.EncryptMethod)")
  public void EncryptAOPCut() {
  }

  @Pointcut("@annotation(com.jichi.aop.sm4.DecryptMethod)")
  public void DecryptAOPCut() {
  }

  @Around("EncryptAOPCut()")
  public Object encryptMethodAop(ProceedingJoinPoint joinPoint) {
    Object responseObj = null;
    try {
      responseObj = joinPoint.proceed();
      this.handleEncrypt(responseObj);
      //md5加密
      String md5Data = Md5Utils.getMD5String(new Gson().toJson(responseObj));
      SpringContextUtil.getHttpServletResponse().setHeader("md5",md5Data);
    } catch (Throwable throwable) {
      throwable.printStackTrace();
      this.log.error("encryptMethodAop處理出現(xiàn)異常{}", throwable);
    }
    return responseObj;
  }

  @Around("DecryptAOPCut()")
  public Object decryptMethodAop(ProceedingJoinPoint joinPoint) {
    Object responseObj = null;
    try {
      responseObj = joinPoint.getArgs()[0];
      //throw new RuntimeException("md5校驗(yàn)失敗");
      this.handleDecrypt(responseObj);
      String md5 = "";
      md5 = Md5Utils.getMD5String(new Gson().toJson(responseObj));
      System.out.println(md5);
      String origianlMd5 = "";
      origianlMd5 = SpringContextUtil.getHttpServletRequest().getHeader("md5");
      if(origianlMd5.equals(md5)){
        responseObj = joinPoint.proceed();
      }else{
        this.log.error("參數(shù)的md5校驗(yàn)不同，可能存在篡改行為，請(qǐng)檢查！");
        throw new Exception("參數(shù)的md5校驗(yàn)不同，可能存在篡改行為，請(qǐng)檢查！");
      }
    } catch (Throwable throwable) {
      throwable.printStackTrace();
      this.log.error("decryptMethodAop處理出現(xiàn)異常{}", throwable);
    }
    return responseObj;
  }

  private void handleEncrypt(Object requestObj) throws Exception {
    if (!Objects.isNull(requestObj)) {
      Field[] fields = requestObj.getClass().getDeclaredFields();
      Field[] fieldsCopy = fields;
      int fieldLength = fields.length;
      for(int i = 0; i < fieldLength; ++i) {
        Field field = fieldsCopy[i];
        boolean hasSecureField = field.isAnnotationPresent(EncryptField.class);
        if (hasSecureField) {
          field.setAccessible(true);
          String plaintextValue = (String)field.get(requestObj);
          String encryptValue = Sm4Utils.encryptEcb(DEFAULT_KEY, plaintextValue, "");
          field.set(requestObj, encryptValue);
        }
      }
    }
  }

  private Object handleDecrypt(Object responseObj) throws Exception {
    if (Objects.isNull(responseObj)) {
      return null;
    } else {
      Field[] fields = responseObj.getClass().getDeclaredFields();
      Field[] fieldsCopy = fields;
      int fieldLength = fields.length;
      for(int i = 0; i < fieldLength; ++i) {
        Field field = fieldsCopy[i];
        boolean hasSecureField = field.isAnnotationPresent(EncryptField.class);
        if (hasSecureField) {
          field.setAccessible(true);
          String encryptValue = (String)field.get(responseObj);
          String plaintextValue = Sm4Utils.decryptEcb(DEFAULT_KEY, encryptValue, "");
          field.set(responseObj, plaintextValue);
        }
      }
      return responseObj;
    }
  }
}

代碼實(shí)際應(yīng)用

首先我們可以定義一個(gè)實(shí)體類，對(duì)實(shí)體類的字段進(jìn)行加密或解密的標(biāo)識(shí)。我們這里建立了一個(gè)Info實(shí)體類，對(duì)于其中的name屬性，我們加了注解加密解密字段，對(duì)于sex屬性我們不做任何處理。

@Data
public class Info {

  @EncryptField
  private String name;

  private String sex;

}

然后我們對(duì)于controller方法打上加密的方法或解密的方法。

@RestController
@RequestMapping("/demo/test")
public class TestController {


  @PostMapping("/saveInfo")
  @DecryptMethod
  public HashMap<String,String> saveInfo(@RequestBody Info info) {
    HashMap<String,String> result = new HashMap<String,String>();
    String name = info.getName();
    System.out.println(name);
    String sex= info.getSex();
    System.out.println(sex);
    result.put("flag","1");
    result.put("msg","操作成功");
    return result;
  }

}

注意到方法上的注解@DecryptMethod，以為這著我們的這個(gè)方法將會(huì)進(jìn)行解密。如果是@EncryptMethod，則代表對(duì)方法進(jìn)行加密。